Mikä on pitkän aikavälin suorituskyvyn ero 1,5–2,5 mm:n vaipan paksuuden välillä 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetulle lämmittimelle 10 % fosforihappoa sisältävässä raakalietteessä 80 asteessa ja hiomakiteitä

Peruskauppa{0}}fosforihapon tuotannon palvelussa

Fosforihapon märkäprosessin-tuotanto tuottaa 10 % fosforihapon raakalietteen kalsiumsulfaattihemihydraatti- tai -dihydraattikiteiden, reagoimattomien fosfaattikivihiukkasten ja erilaisten metallisten epäpuhtauksien seoksessa. Tämä on erittäin aggressiivinen ympäristö johtuen lievästi happaman väliaineen (pH 1-2) ja kiinteiden hiukkasten yhdistelmästä, jotka kuluttavat 316 ruostumattoman teräksen passiivista pinnoitetta. Fosforihapporikastimien ja hyökkäyssäiliöiden sähköiset uppolämmittimet altistuvat yhdistetylle kemialliselle korroosiolle ja mekaaniselle hankaukselle. Vaipan paksuus, 1,5 mm vs. 2,5 mm, on pitkän aikavälin suorituskykylaskelma, jossa paksummassa seinässä oleva ylimääräinen metalli on tasapainotettava suuremman poikkileikkauksen{11}}lämpö- ja mekaanisia vaikutuksia vastaan. Toisin kuin puhtaan nesteen palvelu, jossa ainoa huolenaihe on korroosio, tässä sovelluksessa seurataan kahta vuorovaikutuksessa olevaa hajoamismekanismia monivuotisissa kampanjoissa.

Eroosio-Korroosiosynergismin riippuvuus paksuudesta

Ruostumattoman teräksen 316 tasainen korroosionopeus puhtaassa fosforihapossa 80 asteessa on noin 0,1-0,3 mm/vuosi riippuen raakahapon fluori- ja kloridi-epäpuhtauksien määrästä. Lisäämällä hankaavia kiteitä (kalsiumsulfaattihemihydraattikiteitä), joiden koko on tyypillisesti 10-100 mikronia ja joiden Mohs-kovuus on 2,5-3,0, hajoamismekanismi vaihtaa puhtaasta korroosiosta eroosio{18}korroosioon. Suojaava passiivinen pinnoite poistetaan jatkuvasti törmäävien hiukkasten vaikutuksesta, jotka altistavat tuoreen metallin hapolle. Eroosio{21}}korroosionopeus ei ole vain puhtaan eroosion ja puhtaan korroosionopeuden summa. Sen sijaan syntyy synerginen vaikutus, jossa jatkuvasti de-passivoidun metallin korroosionopeus on huomattavasti suurempi kuin vakaan passiivipinnan korroosionopeus. Julkaistut tulokset ruostumattomasta teräksestä 316 10 % fosforihapossa 5-10 % hiukkasilla 80 asteessa ja lietteen nopeudella 1,5 m/s osoittavat eroosiokorroosionopeuden 0,6-1,2 mm vuodessa, mikä on kolmesta kuuteen kertaa puhdasta korroosiota suurempi. Jatkuvassa eroosio-korroosiossa laskettu aika rei'itykseen on 1,3-2,5 vuotta 1,5 mm seinämänpaksuudella. 2,5 mm seinälle laskettu aika on 2,1–4,2 vuotta. Näissä laskelmissa oletetaan kuitenkin jatkuvaa eroosio-korroosionopeutta. Todellisuudessa seinän oheneessa paikallinen jännitysjakauma pinnalla muuttuu ja eroosionopeus voi kasvaa, koska ohuempi seinä taipuu enemmän hiukkasten kosketuksessa, mikä johtaa suurempiin paikallisiin jännityksiin, jotka murtavat pintaa helpommin. Fosforihappotehtaiden pitkän aikavälin suorituskykytilastot osoittavat, että eroosio-korroosionopeus kasvaa yleensä 20-40 %, kun seinämän paksuus on alle 1,0 mm. Joten 2,5 mm seinä alkaa enemmän metallia ja kestää kauemmin päästäkseen tähän kiihdytysjärjestelmään.

Seinien paksuuden ja kristallin iskuenergian mekaaninen rooli

Raakafosforihappolietteen hankaavat kiteet eivät yksinkertaisesti liuku pinnan yli, vaan osuvat siihen eri kulmista riippuen lämmittimen ympärillä olevasta virtauskuviosta. Ristivirtauksessa lietteen hiukkaset iskevät lieriömäisen lämmitysputken etureunaan lähes normaaleissa kulmissa (suuri iskuenergia, suurin eroosio) ja sivuihin katsekulmissa (pienempi eroosio). Nopeudella 1,5 m/s liikkuvan kalsiumsulfaattikiteen iskuenergia on 0,5-2 mikrojoulea hiukkaskoosta riippuen. Tämä energia riittää tuottamaan mikro-muovisen muodonmuutoksen ruostumattoman teräksen 316 pinnalle. Plastisesti vääntyneen kerroksen syvyys kustakin osumasta on yleensä 1-5 mikronia. Materiaalin täydellinen poisto saavutetaan väsymisprosessilla, jossa on suuri määrä iskuja: toistuvat iskut aiheuttavat työstökovettumista, murtumien alkamista ja lopuksi pienten metallikappaleiden irtoamista. Materiaalin poistonopeus on kääntäen verrannollinen metallin kovuuteen ja riippuu myös alla olevan bulkkimateriaalin kyvystä absorboida iskuenergiaa rikkoutumatta. Paksumpi seinä johtaa suurempaan elastiseen pohjaan iskupinnan alle. Ruostumattoman teräksen 316 kimmokerroin on 193 GPa ja putken seinämän jäykkyys taivutuksessa on verrannollinen paksuuden kuutioon tietyllä ulkohalkaisijalla. 2,5 mm:n seinämän paksuuden taivutusjäykkyys on noin 4,6 kertaa 1,5 mm:n seinämän paksuuden (2,5³/1,5³=4.6) taivutusjäykkyys. Lisääntynyt jäykkyys vähentää dynaamista taipumaa hiukkasten törmäyksessä ja vähentää siten huippukosketusjännitystä ja eroosionopeutta. Kenttähavainnot fosforilämmittimistä osoittavat, että 2,5 mm:n seinäputkien eroosionopeudet etureunassa ovat usein 20-30 % pienempiä kuin 1,5 mm:n seinäputket samoissa lieteolosuhteissa pelkästään jäykkyyden vaikutuksesta.

Paksumman seinän lämpösuorituskyky likaantuessa

Fosforihapon raakalietteen tiedetään saastuttavan. Kalsiumsulfaattikiteillä on taipumus kerääntyä kuumille pinnoille. Tämä saa aikaan hilseen muodostumisen, joka eristää putken ja rajoittaa lämmönsiirtoa. Kalkkikiven muodostumisnopeus riippuu pinnan lämpötilasta suhteessa kalsiumsulfaatin liukoisuuskäyrään. Kun vaipan lämpötila on yli 90-95 astetta, kalsiumsulfaattihemihydraatin liukoisuus laskee ja sen saostuminen kiihtyy. 1,5 mm:n seinälämmittimen, jonka wattitiheys on 6 W/cm2 80-asteisessa bulkkihapossa, vaipan pintalämpötila on noin 95{19}}100 astetta nopeutetun skaalautumisen kynnyksellä. Samalla wattitiheydellä 2,5 mm:n seinä johtaa vaipan lämpötilaan 110-120 C, pitkälle skaalausalueelle. 2,5 mm:n seinäputken kalkki muodostuu-nopeammin ja paksummin kuin 1,5 mm:n putken. Kun kalkkikerros on paikallaan, se lisää oman lämpövastuksensa, mikä nostaa vaipan lämpötilaa entisestään itsevahvistavassa syklissä. Vastaava seinämäpaksuus 4,0 mm 2,5 mm:n seinämän tehollisesta lämpöresistanssista 0,5 mm kalsiumsulfaattihilseellä. Tämä asteikko ei ainoastaan ​​estä lämmönsiirtoa, vaan myös tuottaa halkeamia bulkkihappokemian alle, jotka tiivistyvät paikallisesti ja nopeuttavat korroosiota. Siten ero näiden kahden paksuuden pitkäaikaisessa suorituskyvyssä on olennaisesti riippuvainen kyvystä säätää asteikkoa. 2,5 mm seinä voi saavuttaa pidennetyn eroosio-korroosio-ikänsä kasveissa käyttämällä mekaanista puhdistusta (linkoa tai kaavinta) tai kemiallista kalkinpoistoa. 1,5 mm:n seinämä voi itse asiassa toimia paremmin kasveissa, joissa hilse on sallittua kerääntyä. Alempi pintalämpötila viivästyttää kalkin muodostumista, ja kun kalkki muodostuu, ohuempi pohjaseinä ylläpitää suurempaa lämpövirtaa yhdistetyn seinä-plus-kalkkikerroksen läpi.

Lämpöpyöräily ja differentiaalilaajenemisjännitykset

Fosforihappokonsentraattorit toimivat eräsykleissä tai jaksoittaisella syötöllä, ja lämmitin on lämpösyklinen ympäristön lämpötilasta 80 asteeseen ja takaisin. Jokainen lämmitysjakso aiheuttaa erilaisia ​​laajenemisjännityksiä vastuslangan, magnesiumoksidieristeen ja ruostumattoman teräsvaipan välillä. Koska paksumpi osa antaa enemmän vastustuskykyä lämpölaajenemiselle ja -kutistumiselle, näiden jännitysten amplitudi on verrannollinen vaipan paksuuteen. Laajenemiskerroin ruostumattomalle teräkselle 316 80 asteen lämpötilamuutoksella on noin 0,1 % (16 × 10-6/aste x 80 astetta=0.00128). Putkelle, jonka ulkohalkaisija on 12 mm, tämä laajeneminen on 0,015 mm. 1,5 mm seinä kestää helpommin elastisen muodonmuutoksen aiheuttaman laajenemisen kuin 2,5 mm seinä. Paksumpaan seinään kohdistuu suurempia syklisiä paineita vaipan ja magnesiumoksidieristeen välisessä kosketuksessa tuhansien jaksojen aikana. Tämä voi johtaa eristeen halkeamiseen, mikä heikentää dielektristä lujuutta ja lopulta johtaa sähkökatkoihin. Pitkäaikaiset -fosforitehtaiden suorituskykytiedot osoittavat, että 2,5 mm:n seinälämmittimissä on suurempi sähkökatkos (eristyksen rikkoutuminen) kuin 1,5 mm:n seinälämmittimissä 3–5 vuoden käytön jälkeen, vaikka 2,5 mm:n seinässä olisi vielä sopiva metallipaksuus. Paksumpi seinä uhraa korroosio-eroosio-iän lämpöväsymisiän vuoksi.

Pitkän-tehokkuuden vertailun tiivistelmä

Suorituskyky Metrinen 1,5 mm vaippa 2,5 mm vaippa
Eroosio-korroosionopeus 1,5 m/s lietteellä 0,6-1,2 mm/vuosi 0,5-0,9 mm/vuosi (20-30 % pienempi jäykkyyden vuoksi)
Rei'itysaika (arvioitu) 1,3 - 2,5 vuotta 2,8 - 5,0 vuotta
Vaipan lämpötila 6 W/cm² 95-100 astetta 110-120 astetta
Skaalausnopeus (kalsiumsulfaatti) Kohtalainen (kynnysohjelma) Korkea (kiihdytetty järjestelmä)
Lämpöväsymisikä (jaksot eristysvikaan asti) 4000-7000 jaksoa 8000-12000 jaksoa
Tyypillinen fosforilaitosten ilmoitettu käyttöikä on 2-4 vuotta (rajoitettu mittakaava) 3-5 vuotta (lämpöväsymys rajoitettu)
Paras käyttö Laitteet, joissa on kalkinpoistotoiminto, eräkäyttö Jatkuva palvelu, jossa on vähän tilaa skaalautumiseen
Käytännön strategioita eliniän pidentämiseen paksuuden valinnan lisäksi

Vaipan paksuus ei yksin ratkaise fosforihappolietteen ongelmaa. Kolmen toisiaan täydentävän ratkaisun on osoitettu pidentävän lämmittimen käyttöikää pidemmälle kuin pelkän paksuuden perusteella voitaisiin ennustaa. 1. Virtauksen hallinta: lämmitinputkien kohdistaminen yhdensuuntaisesti lietevirtauksen kanssa kohtisuoran sijasta vähentää törmäyskulmia ja eroosionopeutta 40-60 %. Toiseksi, pinnan karkaisu: Ruostumattoman 316-teräksen pinnan nitraus tai boronisointi nostaa kovuuden 200 HV:stä 800-1000 HV:iin, mikä vähentää merkittävästi eroosionopeutta ilman lämmönkestävyyden lisäämistä. 1,5 mm:n putki kovemmalla pinnalla voi olla kaksi kertaa kestävämpi kuin 2,5 mm:n putki ilman kovaa pintaa. Kolmanneksi kattilakiven hallinta, jossa bulkkihapon lämpötila pidetään alle 75 asteessa tai kalkkikiven estäjiä, kuten polyakrylaatteja, pitää vaipan pinnan kalsiumsulfaatin saostumiskynnyksen alapuolella, joten ohuempien, lämpötehokkaampien seinien käyttö on mahdollista. Jotkut tehtaat ovat käyttäneet 1,2 mm:n seinälämmittimiä, joissa on pintakovettuminen ja hilseilynesto vähintään viiden vuoden ajan ilman ongelmia, kun taas käsittelemättömät 2,5 mm:n seinälämmittimet epäonnistuivat kalkin aiheuttaman ylikuumenemisen vuoksi.

Johtopäätös: Suorituskykyerot käyttöolosuhteiden mukaan

316 ruostumattomasta teräksestä valmistettujen lämmittimien 10-prosenttisessa fosforihappolietteessä 80 asteessa 1,5 mm:n ja 2,5 mm:n seinämänpaksuuden pitkäaikainen suorituskykyero 1,5 mm:n ja 2,5 mm:n välillä ei ole pelkkä etu paksummille seinämille. 2,5-mm seinä antaa 1,5-2,0 kertaa eroosion-korroosion kestävyyden jatkuvassa, vähän{13}}hilseilevässä palvelussa, mutta se kärsii korkeammista pintalämpötiloista, jotka lisäävät hilseilynopeutta, ja heikentyneestä lämpöväsymyskestosta. eroosio-korroosio. Useimmille fosforihappokasveille optimipaksuus on näiden kahden ääriarvon välissä, noin 1,8-2,0 mm, kun käytetään pinnan kovettumista ja hilseilyä. Jos laitoksen, jossa on hyvä mittakaavahallinta ja jatkuva toiminta, on pakko valita näiden kahden väliltä, ​​2,5 mm seinä tulee valita maksimoimaan eroosio-korroosio-ikä. Eräkäytössä toimivissa laitoksissa, joissa on usein lämpökiertoa tai rajoitettu kalkinpoistokyky, seinämänpaksuudeksi on valittava 1,5 mm, jotta vältetään hilseily ja lämpöväsymishäiriöt. Pintakäsittelytarpeiden ja virtaussuuntauksen tulee olla spesifikaatioiden mukaisia, mikä muuttaa yksinkertaisen paksuuden valinnan täysimittaiseksi lietteenkäsittelylämmittimeksi.