Aký je{0}}dlhodobý výkonnostný rozdiel medzi hrúbkou plášťa 1,5 mm a 2,5 mm pre ohrievače 316 z nehrdzavejúcej ocele v surovej suspenzii 10 % kyseliny fosforečnej pri 80 stupňoch s abrazívnymi kryštálmi

Základný obchod-služby výroby kyseliny fosforečnej

Výroba kyseliny fosforečnej mokrým{0}}procesom vytvára surovú suspenziu 10 % kyseliny fosforečnej v zmesi kryštálov hemihydrátu alebo dihydrátu síranu vápenatého, nezreagovaných častíc fosforečnanu a rôznych kovových kontaminantov. Toto je veľmi agresívne prostredie kvôli kombinácii mierne kyslého média (pH 1-}2) a pevných častíc, ktoré narušujú pasívny povlak na nehrdzavejúcej oceli 316. Elektrické ponorné ohrievače v koncentrátoroch kyseliny fosforečnej a útočných nádržiach sú vystavené kombinovanej chemickej korózii a mechanickému oderu. Rozhodnutie o hrúbke plášťa 1,5 mm verzus 2,5 mm je dlhodobým výpočtom výkonu, pri ktorom je potrebné vyvážiť prídavný kov v hrubšej stene s tepelnými a mechanickými dôsledkami behu s väčším prierezom{11}}. Na rozdiel od prevádzky čistých kvapalín, kde je jedinou starosťou korózia, táto aplikácia zahŕňa monitorovanie dvoch vzájomne sa ovplyvňujúcich degradačných mechanizmov počas viacročných kampaní.

Erózia-Závislosť synergie korózie na hrúbke

Rovnomerná rýchlosť korózie nehrdzavejúcej ocele 316 v čistej kyseline fosforečnej pri 80 stupňoch je asi 0,1-}0,3 mm/rok v závislosti od množstva fluoridových a chloridových nečistôt v surovej kyseline. Pridaním abrazívnych kryštálov (kryštálov hemihydrátu síranu vápenatého) zvyčajne s veľkosťou 10-100 mikrónov a tvrdosťou podľa Mohsa 2,5-3,0 sa mechanizmus degradácie prepne z čistej korózie na eróznu-koróziu. Ochranný pasívny povlak sa kontinuálne odstraňuje dopadajúcimi časticami, ktoré vystavujú čerstvý kov kyseline. Miera erózie-nie je len súčtom čistej rýchlosti erózie a čistej rýchlosti korózie. Namiesto toho dochádza k synergickému efektu, pri ktorom je rýchlosť korózie kontinuálne de{29}}pasivovaného kovu podstatne väčšia ako rýchlosť korózie stabilného pasívneho povrchu. Publikované výsledky pre nehrdzavejúcu oceľ 316 v 10 % kyseline fosforečnej s 5-10 % častíc pri 80 stupňoch a rýchlosti kalu 1,5 m/s ukazujú rýchlosti erózie-korózie 0,6-1,2 mm za rok, čo je troj- až šesťnásobok čistej rýchlosti korózie . Vypočítaný čas do perforácie pod súvislou eróziou-koróziou je 1,3-2,5 roka pre hrúbku steny 1,5 mm. Pre 2,5 mm stenu je vypočítaný čas 2,1–4,2 rokov. Tieto výpočty však predpokladajú konštantnú rýchlosť erózie a korózie. V skutočnosti, keď sa stena stenčuje, miestne rozloženie napätia na povrchu sa mení a rýchlosť erózie sa môže zvýšiť, pretože tenšia stena sa pri kontakte s časticami viac vychyľuje, čo vedie k väčším lokálnym napätiam, ktoré ľahšie zlomia povrch. Dlhodobé štatistické údaje o prevádzke na výrobu kyseliny fosforečnej ukazujú, že miera erózie a korózie sa vo všeobecnosti zvyšuje o 20 – 40 %, ak je hrúbka steny menšia ako 1,0 mm. Takže 2,5 mm stena začína s väčším množstvom kovu a trvá dlhšie, kým sa dostane do tohto režimu zrýchlenia.

Mechanická úloha hrúbky stien a energie nárazu kryštálov

Brúsne kryštály v suspenzii surovej kyseliny fosforečnej jednoducho nekĺžu po povrchu, ale narážajú naň z rôznych uhlov v závislosti od vzoru prúdenia okolo ohrievača. Pri priečnom prúdení častice v suspenzii narážajú na prednú hranu valcovej vykurovacej trubice v takmer normálnych uhloch (veľká nárazová energia, najväčšia erózia) a do strán pod uhlom pohľadu (nižšia erózia). Energia nárazu kryštálu síranu vápenatého pohybujúceho sa rýchlosťou 1,5 m/s je 0,5 až 2 mikrojouly v závislosti od veľkosti častíc. Táto energia stačí na vytvorenie mikro-plastickej deformácie na povrchu nehrdzavejúcej ocele 316. Hĺbka plasticky zdeformovanej vrstvy z každého zásahu je všeobecne 1-5 mikrónov. Úplné odstránenie materiálu je dosiahnuté únavovým procesom s veľkým počtom rázov: opakované rázy spôsobujú mechanické spevnenie, iniciáciu lomu a nakoniec oddelenie malých kovových kúskov. Rýchlosť úberu materiálu je nepriamo úmerná tvrdosti kovu a závisí aj od kapacity podkladového sypkého materiálu absorbovať energiu nárazu bez rozbitia. Hrubšia stena vedie k väčšiemu elastickému základu pod dopadaným povrchom. Pre nehrdzavejúcu oceľ 316 je modul pružnosti 193 GPa a tuhosť steny rúrky v ohybe je úmerná tretej mocnine hrúbky pre daný vonkajší priemer. Hrúbka steny 2,5 mm má tuhosť v ohybe približne 4,6-krát väčšiu ako hrúbka steny 1,5 mm (2,5³/1,5³=4.6). Zvýšená tuhosť znižuje dynamickú deformáciu pri náraze častíc, a tým znižuje maximálne kontaktné napätie a rýchlosť erózie. Terénne pozorovania vo fosforečných ohrievačoch rastlín ukazujú, že rýchlosti erózie 2,5 mm stenových rúrok na prednej hrane sú často o 20-30 % menšie ako 1,5 mm stenových rúrok za rovnakých podmienok kalu výlučne v dôsledku vplyvu tuhosti.

Tepelný výkon penalizácie hrubšej steny pri faule

Je dobre známe, že surová suspenzia kyseliny fosforečnej znečisťuje. Kryštály síranu vápenatého majú tendenciu sa hromadiť na horúcich povrchoch. To spôsobí, že sa vytvorí vodný kameň, ktorý izoluje rúrku a obmedzí prenos tepla. Rýchlosť tvorby vodného kameňa závisí od povrchovej teploty vzhľadom na krivku rozpustnosti síranu vápenatého. Keď je teplota plášťa vyššia ako 90-95 stupňov, rozpustnosť hemihydrátu síranu vápenatého klesá a jeho zrážanie sa urýchľuje. Nástenný ohrievač s hrúbkou 1,5 mm s hustotou wattov 6 W/cm2 v 80-stupňovej kyseline má povrchovú teplotu plášťa približne 95-100 stupňov, čo je prah pre zrýchlené vytváranie vodného kameňa. Pri rovnakej hustote wattov vedie 2,5 mm stena k teplote plášťa 110-}120C, čo je v rozsahu mierky. Nástenná trubica s hrúbkou 2,5 mm sa bude usadzovať- rýchlejšie a bude hrubšia ako trubica s hrúbkou 1,5 mm. Keď je vrstva vodného kameňa na svojom mieste, pridáva svoj vlastný tepelný odpor, ktorý zvyšuje teplotu plášťa ešte vyššie v samozosilňujúcom cykle. Ekvivalentná hrúbka steny 4,0 mm efektívneho tepelného odporu steny 2,5 mm s 0,5 mm síranu vápenatého. Tento vodný kameň nielenže inhibuje prenos tepla, ale tiež vytvára trhliny pod chemikáliou objemových kyselín, ktoré sa lokálne koncentrujú a urýchľujú koróziu. Rozdiel v dlhodobom výkone týchto dvoch hrúbok je teda životne závislý od schopnosti nastaviť mierku. Stena s hrúbkou 2,5 mm môže dosiahnuť predĺženú erózno-koróznu životnosť v prevádzkach pomocou mechanického čistenia (rozmetávače alebo škrabky) alebo chemického odstraňovania vodného kameňa. Stena s hrúbkou 1,5 mm môže skutočne fungovať lepšie v zariadeniach, kde je povolené zhromažďovanie vodného kameňa. Nižšia povrchová teplota oneskoruje tvorbu vodného kameňa a keď sa vytvára vodný kameň, tenšia základná stena si zachováva vyšší tepelný tok cez kombinovanú vrstvu steny a vodného kameňa.

Tepelné cyklovanie a diferenčné rozťažné napätia

Koncentrátory kyseliny fosforečnej pracujú v dávkových cykloch alebo s prerušovaným prívodom a ohrievač je tepelne cyklovaný z okolia na 80 stupňov a späť. Každý cyklus zahrievania spôsobuje rozdielne expanzné napätie medzi odporovým drôtom, izoláciou z oxidu horečnatého a plášťom z nehrdzavejúcej ocele. Pretože hrubšia časť poskytuje väčšiu odolnosť voči tepelnej rozťažnosti a kontrakcii, amplitúda týchto napätí je úmerná hrúbke plášťa. Koeficient rozťažnosti pre nehrdzavejúcu oceľ 316 pre teplotný posun o 80 stupňov je približne 0,1 % (16 × 10-6/ stupeň x 80 stupňov=0.00128). Pre rúrku s vonkajším priemerom 12 mm je toto rozšírenie 0,015 mm. Stena s hrúbkou 1,5 mm zvládne expanziu pružnou deformáciou ľahšie ako stena s hrúbkou 2,5 mm. Hrubšia stena je vystavená väčším cyklickým tlakom na kontakte medzi plášťom a izoláciou z oxidu horečnatého počas tisícok cyklov. To môže viesť k prasknutiu izolácie, čo znižuje dielektrickú pevnosť a nakoniec vedie k elektrickému zlyhaniu. Dlhodobé-údaje o výkonnosti z fosforečných zariadení naznačujú, že nástenné ohrievače s hrúbkou 2,5 mm majú po 3 až 5 rokoch prevádzky vyššiu mieru elektrických porúch (poruchy izolácie) ako nástenné ohrievače s hrúbkou 1,5 mm, a to aj vtedy, keď na stene s hrúbkou 2,5 mm stále zostáva zodpovedajúca hrúbka kovu. Hrubšia stena obetuje životnosť proti korózii a erózii pre životnosť tepelnej únavy.

Dlhodobé{0}}porovnanie výkonnosti

Performance Metric 1,5 mm puzdro 2,5 mm puzdro
Erózia-rýchlosť korózie s 1,5 m/s kašou 0,6 – 1,2 mm/rok 0,5 – 0,9 mm/rok (o 20 – 30 % nižšia v dôsledku tuhosti)
Čas do perforácie (odhad) 1,3 až 2,5 roka 2,8 až 5,0 rokov
Teplota plášťa pri 6 W/cm² 95-100 stupňov 110-120 stupňov
Rýchlosť škálovania (síran vápenatý) Stredná (prahový režim) Vysoká (zrýchlený režim)
Životnosť tepelnej únavy (cykly až do zlyhania izolácie) 4000-7000 cyklov 8000-12000 cyklov
Typická životnosť uvádzaná pre zariadenia na výrobu fosforu je 2-4 roky (obmedzená miera) 3-5 rokov (obmedzená tepelná únava)
Najlepšie využitie Zariadenia s možnosťou odstraňovania vodného kameňa, dávková prevádzka Prebiehajúca služba s malým priestorom pre vodný kameň
Praktické stratégie pre celoživotné predĺženie nad rámec výberu hrúbky

Samotná hrúbka plášťa nevyrieši problém suspenzie kyseliny fosforečnej. Ukázalo sa, že tri doplnkové riešenia predlžujú životnosť ohrievača nad rámec toho, čo by sa dalo predpovedať zo samotnej hrúbky. 1. Riadenie toku: zarovnanie rúrok ohrievača rovnobežne s prúdom kalu namiesto kolmého znižuje uhly nárazu a mieru erózie o 40-60 %. Po druhé, povrchové kalenie: Nitridácia alebo bórovanie povrchu nehrdzavejúcej ocele 316 zvyšuje tvrdosť z 200 HV na 800-1000 HV, čím sa výrazne znižuje rýchlosť erózie bez zvýšenia tepelného odporu. 1,5 mm trubica s tvrdším povrchom môže byť dvakrát odolnejšia ako 2,5 mm trubica bez pevného povrchu. Po tretie, riadenie vodného kameňa s teplotou objemovej kyseliny udržiavanou pod 75 stupňov alebo použitím inhibítorov vodného kameňa, ako sú polyakryláty, udržuje povrch plášťa pod prahom zrážania síranu vápenatého, takže je možné použiť tenšie, tepelne účinnejšie steny. Niektoré závody používali 1,2 mm stenové ohrievače s povrchovým tvrdením a inhibíciou vodného kameňa bez problémov päť alebo viac rokov, zatiaľ čo neošetrené 2,5 mm stenové ohrievače zlyhali v dôsledku prehriatia spôsobeného vodným kameňom.

Záver: Výkonnostný rozdiel vysvetlený prevádzkovými podmienkami

Dlhodobý-rozdiel výkonu medzi hrúbkou steny 1,5 mm a 2,5 mm pre ohrievače z nehrdzavejúcej ocele 316 v 10 % surovej suspenzii kyseliny fosforečnej pri 80 stupňoch nie je jednoduchým prínosom pre hrubšiu stenu. Stena s hrúbkou 2,5-mm poskytuje 1,5 až 2,0-krát dlhšiu životnosť-erózie pri nepretržitej prevádzke s nízkym-odstraňovaním vodného kameňa, ale trpí vyššími povrchovými teplotami, ktoré zvyšujú rýchlosť tvorby vodného kameňa, a zníženou životnosťou tepelnej únavy{12}}mm stena má vynikajúci tepelný výkon, zníženú náchylnosť na tvorbu vodného kameňa, 18} menšiu odolnosť voči erózii a dlhšiu životnosť{18} korózie pri tepelnej únave Pre väčšinu rastlín kyseliny fosforečnej je optimálna hrúbka medzi týmito dvoma extrémami, okolo 1,8-}2,0 mm, s použitím povrchového vytvrdzovania a kontroly vodného kameňa. Ak je zariadenie s dobrou kontrolou vodného kameňa a nepretržitou prevádzkou nútené vybrať si medzi týmito dvoma, mala by sa zvoliť 2,5 mm stena, aby sa maximalizovala životnosť proti erózii a korózii. Pre zariadenia pracujúce v dávkovom režime s častým tepelným cyklovaním alebo obmedzenými schopnosťami odstraňovania vodného kameňa sa musí zvoliť hrúbka steny 1,5 mm, aby sa predišlo poruchám tvorby vodného kameňa a tepelnej únavy. Potreby povrchovej úpravy a orientácia toku by mali byť uvedené v špecifikácii, čím sa jednoduchý výber hrúbky zmení na plnohodnotný dizajn ohrievača na manipuláciu s kalom.