Aká je kritická rýchlosť prúdenia na zabránenie erózii-korózie na ohyboch pre titánový plášť, ktorý ohrieva kašu pigmentu oxidu titaničitého v zriedenej kyseline sírovej (pH 2,5, 80 stupňov)?

Základný kompromis v dizajne titánového ohrievača pre abrazívne kyslé kaly
Pigment TiO2 sa vyrába digesciou ilmenitovej rudy v koncentrovanej kyseline sírovej, po ktorej nasleduje zriedenie, hydrolýza a kalcinácia roztoku. Medzifázy zahŕňajú zahrievanie kaše pigmentu Ti02 v zriedenej kyseline sírovej (pH 2,5, 80 stupňov). Suspenzia obsahuje 20-40 hmotn. % pevných častíc Ti02 so stredným priemerom 0,2-0,5 mikrónu a je trochu abrazívna. Kombinovaný účinok kyslého elektrolytu a nárazu častíc poskytuje erózne-korózne prostredie s vyššou mierou straty materiálu, než je súčet čistej erózie a čistej korózie. Ohybové oblasti titánových vykurovacích rúrok v tvare U alebo hadovitých sú najkritickejšie časti vykurovacích rúrok, kde sa mení dráha prúdenia a častice sú nútené narážať na vonkajšiu stenu (extrados) so zvýšenou rýchlosťou a uhlom. Hrúbka steny poskytuje pasívnu toleranciu korózie, ale dôležitou konštrukčnou premennou na zabránenie predčasnému zlyhaniu je rýchlosť prúdenia kalu okolo ohrievača. Prahová rýchlosť je prekročená a dochádza k zmene z mierneho rovnomerného opotrebovania na silnú, lokalizovanú eróziu-koróziu, ktorá môže narušiť 2,0 mm titánovú stenu za menej ako šesť mesiacov. Pod touto prahovou rýchlosťou je pasívny povlak oxidu titaničitého stabilný a hrúbky steny 1,0–1,2 mm majú životnosť niekoľko rokov.

Vplyv na mechanickú integritu: Synergický účinok erózie a korózie v ohyboch
Rýchlosť pasívnej korózie titánu triedy 2 v zriedenej kyseline sírovej pri pH 2,5 za podmienok statického alebo nízkeho prietoku je 0,02-0,05 mm/rok. Častice suspenzie Ti02 sú chemicky identické s pasívnym filmom; tým sú zanedbateľné galvanické efekty. Erozívna zložka však ničí ochrannú oxidovú vrstvu rýchlejšie, ako môže repasivovať. Smerom k extrados ohybu majú uhly dopadu častíc tendenciu byť v rozsahu 30-60 stupňov k povrchu, čo je oblasť, ktorá maximalizuje stratu materiálu pre krehké-ťažné materiály, ako je titán. Miera erózie a korózie je empirický mocninný zákon, w˙=k⋅vnw˙=k⋅vn, s vv miestnou rýchlosťou častice v ohybe a nn všeobecne 2,5–3,0 pre titán v kyslých suspenziách. Podstatná závislosť od rýchlosti naznačuje 6- až 8-násobné zvýšenie rýchlosti opotrebenia pri zdvojnásobení prietoku. Rýchlosť erózie je nevýznamná pre rovný segment rúrky s prúdením rovnobežným s povrchom, pretože častice namiesto dopadu kĺžu. Hlavný rozdiel je v tom, že v dôsledku zrýchlenia prúdenia okolo ohybu môže byť lokálna rýchlosť v ohybe extrados 1,5–2,5-krát vyššia ako rýchlosť objemovej suspenzie. Objemová rýchlosť prúdenia v potrubí alebo nádrži teda musí byť pod prahovou hodnotou zodpovedajúcou rýchlosti extrados ohybu okolo 3–4 m/s, kde je rýchlosť erózie a korózie neprijateľná.

Vplyv tepelného výkonu: Interakcia teploty{0}}rýchlosti
Tepelný gradient cez titánový plášť ovplyvňuje mechanizmus erózie-korózie tým, že ovplyvňuje stabilitu pasívneho filmu. Menšia hrúbka steny znamená nižšiu povrchovú teplotu pre danú hustotu výkonu, a teda zlepšenú mechanickú odolnosť pasívneho filmu. Pri objemovej teplote 80 stupňov má 1,0 mm stena pracujúca pri 2,5 W/cm² vonkajší povrch približne 92 stupňov; 1,5 mm stena dosahuje približne 98 stupňov. Vyššie teploty nad 90 stupňov vedú k krehkejšiemu pasívnemu filmu na titáne a je náchylnejší na odlupovanie pri náraze častíc. Laboratórne erózne-korózne testy s použitím suspenzií TiO2 (40 % hmotn., pH 2,5, 80 stupňov) demonštrujú, že prah kritickej rýchlosti pre stenu s hrúbkou 1,0 mm je 2,8 m/s (objem), ale pre stenu s hrúbkou 1,5 mm je znížená na 2,2 m/s v dôsledku horúčavosti a lámavosti. Preto hrubšia stena nielenže vedie k väčšiemu opotrebovaniu materiálu, ale tiež znižuje okno bezpečnej prevádzkovej rýchlosti, čo by mohlo viesť k strate výrobnej kapacity.

Synthesis of the Trade-: matica kritickej rýchlosti a hrúbky steny
Nasledujúca matica ukazuje kritickú rýchlosť prietoku objemovej suspenzie pre titánový plášť ohrievajúci suspenziu TiO2 v zriedenej kyseline sírovej (pH 2,5, 80 stupňov, 30 % hmotn. pevných látok, stredná veľkosť častíc 0,3 µm), definovanú ako rýchlosť, pri ktorej sa erózna-korózna miera za rok rovná 3-3 mm ekvivalentnej životnosti za rok 10,0,0. mm steny s bezpečnostným faktorom).

Polomer ohybu rúry (pomer R/D) Hrúbka steny titánu Kritická objemová rýchlosť (m/s) pre eróziu-Korózia Obmedzená na<0.3 mm/year Expected Life at Critical Velocity Core Engineering Rationale
R=3× OD (tesný ohyb) 1,0 mm 1,8 m/s 2,5 – 3 roky Pevný ohyb zrýchli lokálnu rýchlosť na 3,5 – 4,0 m/s pri extrados. Tenká stena beží chladnejšie, čím sa mierne zvyšuje tolerancia rýchlosti. Neodporúča sa na nepretržité používanie.
OD=3 x R (tesný ohyb) 1,5 mm 1,4 m/s 2 – 2,5 roka Hrubšia stena je teplejšia, čím sa znižuje odolnosť pasívnej fólie. Lokálna rýchlosť zostáva vysoká Vyhnite sa úzkym ohybom, bez ohľadu na hrúbku steny.
R=5× OD (veľký ohyb) 1,0 mm 2,8 m/s 4 – 5 rokov Rýchlosť extrados ≈ 1,3× objem; veľkorysý oblúk minimalizuje lokálne zrýchlenie. Tenšia stena udržuje povrch chladnejší. Najlepšia kombinácia pre svieži dizajn.
R=5× OD (veľký ohyb) 1,2 mm – 1,4 mm 2,5 m/s 5 – 6 rokov Menšia hrubšia stena umožňuje odolnosť proti erózii bez prílišného nárastu teploty. Dobre sa hodí pre citlivé aplikácie so zriedkavými výkyvmi rýchlosti.
R=8× OD (extrémne veľký ohyb) alebo rovná rúra s otočnými lopatkami 1,0 mm – 1,2 mm > 3,5 m/s > 8 rokov Odstraňuje zrýchlenie ohybu. Erózia-korózia je menej dôležitá. Hrúbka steny jednoducho musí spĺňať kritériá tlaku a korózie.
Technika okolo zákruty: Usmerňovače toku a orientácia ohrievača
Tam, kde je vzhľadom na architektúru nádrže tesný polomer ohybu (R < 4 x OD) nevyhnutný, dve alternatívne techniky môžu minimalizovať eróziu-koróziu bez obetovania rýchlosti výroby. Faktor zrýchlenia lokálnej rýchlosti sa zníži z 2,0 na 1,2 použitím usmerňovačov toku alebo otáčaním lopatiek pred ohybom ohrievača, aby sa preorientoval kal tak, aby sledoval obrys rúrky. Výpočtová simulácia dynamiky tekutín ukazuje, že extradosová rýchlosť ohybu 3x OD s lopatkou klesá zo 4,0 m/s na 2,2 m/s pri objemovej rýchlosti 2,0 m/s, čo je pod kritickým prahom. Po druhé, ohrievač má byť orientovaný vertikálne s kalom prúdiacim nahor, takže častice sa budú pohybovať za ohybom bez usadzovania alebo nárazu pod veľkými uhlami. Treba sa vyhnúť horizontálnej orientácii s ohybmi v horizontálnej rovine, pretože gravitácia tlačí častice smerom k extrados, čím sa zvyšuje frekvencia nárazov. Nakoniec, o niečo hrubšia stena (1,4–1,6 mm) s podstatným polomerom ohybu (R=6× OD) poskytuje opatrný dizajn pre neisté alebo premenlivé podmienky prúdenia, zatiaľ čo tepelná účinnosť je znížená.

Záver: Vplyv riadenia rýchlosti a geometrie ohybu na hrúbku steny
Požadovaná rýchlosť prúdenia na zabránenie erózii-korózie v ohyboch titánového plášťa ohrievajúceho suspenziu TiO 2 v zriedenej kyseline sírovej pri pH 2,5 a 80 stupňoch je objemová rýchlosť približne 2,5 – 3,0 m/s pre dobre postavený ohrievač s hrúbkou steny R=5 × 1 mm a 1,0– Čokoľvek rýchlejšie ako toto a strata materiálu by bola exponenciálne väčšia. Hrubé steny budú penetrované v priebehu mesiacov. Erózia-korózia pod touto hranicou je zanedbateľná a titánový plášť s hrúbkou 1,0 mm má životnosť 4–5 rokov. Hlavnou konštrukčnou radou je zvoliť si veľkorysý polomer ohybu (R Väčšie alebo rovné 5× OD) a rýchlosť sypkej suspenzie pod 2,5 m/s, potom zvoliť hrúbku steny na základe prípustnej korózie a požiadaviek na mechanickú manipuláciu (zvyčajne 1,2 mm). Zväčšovanie hrúbky steny bez kontroly rýchlosti alebo tvaru ohybu je falošným pocitom bezpečia. 2,0 mm stena pri 3,5 m/s zlyhá rýchlejšie ako 1,0 mm stena pri 2,0 m/s. Pri špecifikácii ohrievačov pre abrazívne kyslé kaly poskytnite výrobcovi odhadovanú rýchlosť kalu a distribúciu veľkosti častíc a požiadajte o potvrdenie polomeru ohybu. Hlavným technickým aspektom je riadenie rýchlosti, nie maximálna hrúbka steny.