Prečo ohrievač PFA inštalovaný v horizontálnej orientácii v nádrži s vriacou kyselinou dusičnou vytvorí trhliny na hornom povrchu do 6 mesiacov?

Horizontálne inštalovaný ohrievač PFA vo vriacej nádrži na kyselinu dusičnú (napr. 20–30 % HNO3 pri 105–110 stupňoch) pravidelne vytvára obvodové trhliny na hornom povrchu v priebehu 3–6 mesiacov, zatiaľ čo vertikálne namontovaný ohrievač v rovnakej prevádzke môže vydržať 2–3 roky. K zlyhaniu prispieva zrýchlené oxidačné zhoršovanie, lokalizované otepľovanie a parná pokrývka. Súvislá vrstva pary, ktorá izoluje PFA, sa vytvorí, keď vriace bubliny stúpajú a zhromažďujú sa pozdĺž hornej časti horizontálnej trubice. Zatiaľ čo dno je stále chladené kvapalinou, teplota horného povrchu sa zvyšuje z typických 115–120 stupňov na 180–250 stupňov. PFA je silne oxidovaný intenzívnymi parami kyseliny dusičnej, ktoré sú uzavreté za prikrývkou. Výsledkom je rýchle skrehnutie, praskanie a nakoniec perforácia. Pre vriace kyseliny je horizontálna orientácia v podstate nevhodná; Dôrazne sa odporúča vertikálna inštalácia.

Mechanizmus parnej pokrývky horizontálnych ohrievačov
Počas varu zárodkov sa po celom povrchu ohrievača objavujú bublinky pár. Bubliny sa rýchlo oddeľujú a stúpajú na vertikálnom ohrievači, zametajú povrch a zachovávajú kontakt s kvapalinou. Bubliny vytvorené na spodnej polovici horizontálneho ohrievača stúpajú a dopadajú na hornú polovicu, kde sa spájajú a vytvárajú súvislú alebo polo{2}}súvislú vrstvu pary. Pod parnou prikrývkou sa koeficient prestupu tepla znižuje z 5 000 – 10 000 W/m²·K (var v kvapaline) na 100 – 300 W/m²·K (parný film). Povrchová teplota pod parnou pokrývkou sa zvýši na T_povrch=T_fluid + q/h=110 + 30 000/200=260 stupňov pri konštantnom tepelnom toku 3 W/cm² (30 000 W/m²). To je nad bezpečnou teplotou nepretržitého používania PFA 200 stupňov a blíži sa k bodu topenia 305 stupňov. Pri tepelnom namáhaní PFA mäkne, rýchlo oxiduje v pare kyseliny dusičnej a štiepi sa.

Prerušovaná vlhkosť spôsobuje cyklické napätie aj na hornom povrchu. Teplota kolíše každých pár sekúnd medzi 110 stupňami a 260 stupňami, keď sa parná prikrývka vytvára a zrúti. Obvodové trhliny vznikajú týmto tepelným šokom v tisíckach cyklov (dni až týždne).

Porovnanie horizontálneho a vertikálneho výkonu pri vare 25 % HNO₃ pri 108 stupňoch
Orientácia Začiatok trhlín (mesiace) Teplota vrchného povrchu (stupeň) Teplota spodného povrchu (stupeň) Dominantný režim zlyhania Relatívna životnosť Horizontálne (25 mm OD) 210–260 115–125 3–6 Obvodové trhliny navrchu 1,0× Horizontálne s núteným obehom (0,51}–10}–1916 m–1) Všeobecná degradácia 2,0× Vertikálne (rovnaký ohrievač) 115–125 115–125 24–366–8 rokov rovnomerného starnutia
Horizontálne s parotesným štítom (perforovaný kovový kryt navrchu) 130–150 120–130 18–24 Korózia na okrajoch štítu 4–5× Horizontálne, zníženie na 1,5 W/cm² 150–180 110–120 12–18 Stále praská 3× Prečo kyselina dusičná urýchľuje poškodenie
Jedným silným oxidačným činidlom je kyselina dusičná. Oxidáciou koncov reťazcov a tvorbou karbonylfluoridových skupín para HNO3 rýchlo rozkladá PFA pri 200 stupňoch. Povrch vytvára mikrotrhlinky a stáva sa krehkým (tvrdosť stúpa zo 66 na 78 Shore D). Na druhej strane, ne-oxidujúce kyseliny alebo čistá voda sa degradujú pomalšie. Keď sa skombinuje kyselina dusičná a parná pokrývka, vytvorí sa samozrýchľujúci sa cyklus zlyhania: parná pokrývka zvyšuje teplotu, čo urýchľuje oxidáciu, čím sa zvyšuje drsnosť povrchu, čo podporuje priľnavosť bublín, čo zvyšuje prikrývku pary.

Príklad v poli
Chemický závod umiestnil do 2000 l vriacej 25 % HNO₃ nádrže (108 stupňov) 6 kW ohrievač PFA vodorovne. O štyri mesiace neskôr porucha uzemnenia spôsobila vypnutie ohrievača. Pri obhliadke bola na vrchnej ploche zistená 5 cm obvodová puklina so značným skrehnutím a zožltnutím. Vertikálny ohrievač v tej istej nádrži v tej istej továrni fungoval bezchybne tridsať mesiacov. Zariadenie nemalo žiadne ďalšie skoré poruchy po výmene horizontálneho ohrievača za vertikálnu inštaláciu. V prípade akéhokoľvek servisu s vriacou kyselinou je teraz horizontálna montáž zakázaná.

Redukcia nutných horizontálnych inštalácií
Tri kroky znižujú nebezpečenstvo prasknutia horného povrchu, ak sa nedá vyhnúť horizontálnej orientácii (plytké nádrže, priestorové obmedzenia):

Nainštalujte parozábranu: Aby ste predišli súvislej parnej pokrývke a narušili koalescenciu bublín, vložte 10–20 mm nad ohrievač perforovanú platňu z nehrdzavejúcej ocele s 5 mm otvormi a 40 % otvorenou plochou. Štít funguje pri porovnateľnej teplote, ale keďže je kovový, nemôže oxidovať.

Nižšia hustota vo wattoch: Dokonca aj pri čiastočnom pokrytí parou udržujte teplotu povrchu pod 150 stupňov prevádzkou pri 1,5 W/cm² alebo menej.

Začlenenie nútenej cirkulácie: Predtým, ako sa bubliny zlúčia, sú z vrchného povrchu strhnuté miešadlom alebo recirkulačným čerpadlom pohybujúcim sa rýchlosťou vyššou ako 0,3 m/s.

Týždenné otáčanie ohrievača o 180 stupňov rozdeľuje tepelné zaťaženie, ale jednoducho odkladá poruchu.

Záverom možno povedať, že rýchle praskanie horného povrchu je spôsobené horizontálnou montážou vo vriacej kyseline dusičnej.
V priebehu troch až šiestich mesiacov spôsobí zakrytie parou objavenie sa obvodových trhlín na hornom povrchu ohrievača PFA umiestneného horizontálne vo vriacej nádrži s kyselinou dusičnou. Keď sa bubliny nahromadia na vrchu, vytvorí sa izolačná vrstva pary, čím sa teplota PFA zvýši nad 200 stupňov a urýchli sa praskanie tepelným šokom a oxidačná degradácia. Odstránením parnej prikrývky zvyšuje vertikálna orientácia životnosť ohrievača na dva až tri roky. Pri manipulácii s vriacimi kyselinami sa treba vyhnúť horizontálnej montáži. Použite nútený obeh, nižšiu hustotu wattov alebo nainštalujte parotesné štíty, ak tomu nemôžete zabrániť. Horný povrch horizontálneho ohrievača vo vriacej kyseline je receptom na katastrofu. Často ho vymieňajte alebo ho namontujte vertikálne.