Koja je dugoročna{0}}razlika u performansama između 1,5 mm i 2,5 mm debljine omotača za 316 grijača od nehrđajućeg čelika u 10% sirove otopine fosforne kiseline na 80 stepeni sa abrazivnim kristalima

Fundamentalni razmjena-usluga za proizvodnju fosforne kiseline

Mokri{0}}proces proizvodnje fosforne kiseline stvara sirovu suspenziju koja sadrži 10% fosforne kiseline pomiješane s kalcijum sulfat hemihidratom ili kristalima dihidrata, neizreagiranim česticama fosfatne stijene i raznim metalnim nečistoćama. Ovo okruženje je jedinstveno agresivno jer kombinuje umereno kiseli medij (pH 1-2) sa čvrstim česticama koje erodiraju pasivni film na nerđajućem čeliku 316. Električni uranjajući grijači koji se koriste u koncentratorima fosforne kiseline ili napadnim spremnicima suočavaju se s istovremenom kemijskom korozijom i mehaničkom abrazijom. Odluka o debljini omotača između 1,5 mm i 2,5 mm predstavlja dugoročni-proračun performansi gdje se dodatni metal u debljem zidu mora odmjeriti u odnosu na termičke i mehaničke posljedice rada sa većim poprečnim-osjekom. Za razliku od čiste tekućine gdje je korozija jedina briga, ova aplikacija zahtijeva praćenje dva mehanizma degradacije u interakciji tokom višegodišnjih kampanja.

Erozija-Sinergija korozije i njena zavisnost od debljine

U čistoj fosfornoj kiselini na 80 stepeni, nerđajući čelik 316 pokazuje ujednačenu brzinu korozije od približno 0,1-0,3 mm godišnje, u zavisnosti od koncentracije nečistoća fluorida i hlorida prisutnih u sirovoj kiselini. Dodatak abrazivnih kristala-kristali kalcijum sulfata hemihidrata su tipično veličine 10-100 mikrona i imaju Mohsovu tvrdoću od 2,5-3,0-mijenja mehanizam degradacije od čiste korozije do erozijske{23}}korozije. Udarne čestice kontinuirano uklanjaju zaštitni pasivni film, izlažući svježi metal kiselini. Stopa erozije{29}}korozije nije samo zbir stope čiste erozije i čiste stope korozije. Umjesto toga, dolazi do sinergijskog efekta gdje je stopa korozije kontinuirano de-pasiviranog metala mnogo veća od brzine korozije stabilne pasivne površine. Objavljeni podaci za nerđajući čelik 316 u 10% fosforne kiseline sa 5-10% čvrstih materija na 80 stepeni i brzinom suspenzije od 1,5 m/s pokazuju stope erozije-korozije od 0,6-1,2 mm godišnje, tri do šest puta veće od stope čiste korozije. Za debljinu zida od 1,5 mm, izračunato vrijeme do perforacije pod kontinuiranom erozijskom korozijom je 1,3-2,5 godine. Za zid od 2,5 mm, izračunato vrijeme se proteže na 2,1-4,2 godine. Međutim, ovi proračuni pretpostavljaju konstantnu stopu erozije-korozije. U stvarnosti, kako se zid tanji, lokalna raspodjela naprezanja na površini se mijenja, a brzina erozije se može ubrzati jer se tanji zid više skreće pod udarom čestica, stvarajući veća lokalna naprezanja koja lakše lome površinu. Dugoročni podaci o performansama iz postrojenja za proizvodnju fosforne kiseline pokazuju da se stopa erozije-korozije često povećava za 20-40% kada debljina stijenke padne ispod 1,0 mm. To znači da zid od 2,5 mm ne samo da počinje sa više metala, već i radi duži period prije nego što uđe u ovaj režim ubrzanja.

Energija kristalnog udara i mehanička uloga debljine zida

Abrazivni kristali u sirovoj kaši fosforne kiseline ne klize samo po površini; oni utiču pod različitim uglovima u zavisnosti od obrasca strujanja oko grejača. Za cilindričnu cijev grijača u poprečnom-toku, čestice u kaši udaraju na prednju ivicu pod -normalnim uglovima (velika energija udara, maksimalna erozija) i na strane pod uglovima gledanja (niža erozija). Energija udara kristala kalcijum sulfata koji putuje brzinom od 1,5 m/s je približno 0,5-2 mikrodžula u zavisnosti od veličine čestica. Ova energija je dovoljna da izazove mikroplastičnu deformaciju na površini nerđajućeg čelika 316. Dubina plastično deformiranog sloja od svakog udara je tipično 1-5 mikrona. Preko miliona udaraca, kumulativno uklanjanje materijala odvija se mehanizmom zamora: ponovljeni udari uzrokuju očvršćavanje, zatim nastanak pukotina, zatim odvajanje malih metalnih fragmenata. Brzina uklanjanja materijala obrnuto je proporcionalna tvrdoći metala i također ovisi o sposobnosti osnovnog rasutog materijala da apsorbira energiju udara bez pucanja. Deblji zid pruža veću elastičnu podlogu ispod pogođene površine. Modul elastičnosti nehrđajućeg čelika 316 je 193 GPa, a krutost stijenke cijevi pri savijanju je proporcionalna kocki debljine za dati vanjski promjer. Zid od 2,5 mm ima otprilike 4,6 puta veću krutost na savijanje od zida od 1,5 mm (2,5³ podijeljeno sa 1,5³ jednako je 4,6). Ova veća krutost smanjuje dinamički otklon pri udaru čestica, smanjujući vršno kontaktno naprezanje i smanjujući brzinu erozije. Terenska mjerenja iz fosfornih grijača pokazuju da su stope erozije na prednjoj ivici zidnih cijevi od 2,5 mm tipično 20-30% niže nego na cijevima od 1,5 mm u identičnim uslovima suspenzije, isključivo zbog efekta krutosti.

Kazna za termičke performanse debljeg zida u servisu za obrađivanje

Sirova kaša fosforne kiseline poznata je po prljanju. Kristali kalcijum sulfata imaju tendenciju taloženja na zagrijanim površinama, formirajući kamenac koji izolira cijev i smanjuje prijenos topline. Brzina stvaranja kamenca zavisi od površinske temperature u odnosu na krivulju rastvorljivosti kalcijum sulfata. Na temperaturama omotača iznad 90-95 stepeni, rastvorljivost kalcijum sulfat hemihidrata se smanjuje, a taloženje se ubrzava. Za zidni grijač od 1,5 mm koji radi u kiselini od 80 stepeni sa gustinom vati od 6 W/cm², temperatura površine plašta je približno 95-100 stepeni, tačno na pragu za ubrzano skaliranje. Za zid od 2,5 mm pri istoj gustoći vata, temperatura omotača raste na 110-120 stepeni, dobro u režimu skaliranja. Nakupljanje kamenca na zidnoj cijevi od 2,5 mm bit će znatno brže i deblje nego na cijevi od 1,5 mm. Jednom kada se formira sloj kamenca, on dodaje sopstvenu toplotnu otpornost, terajući temperaturu omotača još više u samoojačavajućoj petlji. Zid od 2,5 mm sa 0,5 mm kamenca kalcijum sulfata ima efektivnu toplotnu otpornost koja je jednaka zidu od 4,0 mm. Ova skala ne samo da smanjuje prijenos topline, već i stvara pukotine ispod gdje se kemijska masa kiseline lokalno koncentrira, ubrzavajući koroziju. Dugoročna-razlika u performansama između ove dvije debljine stoga kritično zavisi od toga da li se skala može kontrolisati. U postrojenjima koja koriste mehaničko čišćenje (centralke ili strugalice) ili hemijsko uklanjanje kamenca, zid od 2,5 mm može postići duži vijek trajanja od erozije i korozije. U postrojenjima u kojima je dozvoljeno da se nakuplja kamenac, zid od 1,5 mm zapravo može bolje funkcionirati jer njegova niža površinska temperatura odlaže stvaranje kamenca, a kada se kamenac formira, tanji osnovni zid održava veći toplinski tok kroz kombinovani sloj zid i skalu.

Termički ciklus i diferencijalna naprezanja ekspanzije

Koncentratori fosforne kiseline rade u serijskim ciklusima ili sa povremenim napajanjem, uzrokujući da grijač doživljava termalne cikluse od ambijentalnog do 80 stepeni i nazad. Svaki termički ciklus stvara diferencijalna naprezanja ekspanzije između otporne žice, izolacije od magnezijevog oksida i omotača od nehrđajućeg čelika. Veličina ovih naprezanja proporcionalna je debljini omotača jer deblji presjek nudi veću otpornost na toplinsko širenje i kontrakciju. Za temperaturnu promjenu od 80 stupnjeva, slobodno širenje nehrđajućeg čelika 316 je približno 0,1% (koeficijent 16 x 10⁻⁶ / stepen puta 80 stepeni je 0,00128). Za cijev vanjskog prečnika 12 mm, ovo proširenje iznosi 0,015 mm. Zid od 1,5 mm može lakše prihvatiti ovo proširenje kroz elastičnu deformaciju nego zid od 2,5 mm. Tokom hiljada ciklusa, deblji zid doživljava veća ciklička naprezanja na granici između omotača i izolacije od magnezijum oksida. To može dovesti do pucanja izolacije, što smanjuje dielektričnu čvrstoću i na kraju uzrokuje električni kvar. Dugoročni podaci o performansama iz fosfornih postrojenja pokazuju da zidni grijači od 2,5 mm imaju veću stopu električnog kvara (kvara izolacije) od zidnih grijača od 1,5 mm nakon 3-5 godina rada, čak i kada zid od 2,5 mm još uvijek ima odgovarajuću preostalu debljinu metala. Deblji zid mijenja vijek trajanja od korozije-erozije za vijek trajanja termičkog zamora.

Dugoročno{0}}Sažetak poređenja performansi

Praktične strategije produženja vijeka trajanja izvan odabira debljine

Nijedna debljina omotača sama po sebi ne rješava problem kaše fosforne kiseline. Tri komplementarne strategije pokazale su se efikasnim u produžavanju vijeka grijača izvan predviđanja samo na osnovu debljine. Prvo, upravljanje protokom: orijentacija cijevi grijača paralelno sa protokom suspenzije, a ne okomito, smanjuje uglove udara i smanjuje stope erozije za 40-60%. Drugo, površinsko očvršćavanje: nitriranje ili boronizacija površine od nerđajućeg čelika 316 povećava površinsku tvrdoću sa 200 HV na 800-1000 HV, dramatično smanjujući stope erozije bez povećanja termičke otpornosti. Površinski očvrsnuta cijev od 1,5 mm može dvaput nadživjeti neobrađenu cijev od 2,5 mm. Treće, kontrola kamenca: održavanje temperature mase kiseline ispod 75 stepeni ili dodavanje inhibitora kamenca kao što su poliakrilati održava površinu omotača ispod praga taloženja kalcijum sulfata, omogućavajući upotrebu tanjih, termički efikasnijih zidova. Neka postrojenja su uspješno koristila zidne grijače od 1,2 mm s površinskim stvrdnjavanjem i inhibicijom kamenca pet godina ili više, nadmašujući neobrađene grijače od 2,5 mm koji su otkazali zbog pregrijavanja izazvanog kamencem.

Zaključak: Razlika u performansama opravdana radnim uslovima

Dugoročna{0}}razlika u performansama između 1,5 mm i 2,5 mm debljine omotača za 316 grijača od nehrđajućeg čelika u 10% sirovoj suspenziji fosforne kiseline na 80 stepeni nije jednostavna prednost za deblji zid. Zid od 2,5 mm pruža 1,5-2,0 puta duži vijek trajanja erozije-korozije u kontinuiranoj, niskoj-službi, ali pati od viših površinskih temperatura koje ubrzavaju stvaranje kamenca i nižeg vijeka trajanja termičkog zamora. Zid od 1,5 mm nudi bolje termičke performanse, manju tendenciju stvaranja kamenca i duži vijek trajanja termičkog zamora, ali ima manje metalne rezerve za erozijsko-koroziju. Za većinu postrojenja za proizvodnju fosforne kiseline, optimalna debljina leži između ovih ekstrema na približno 1,8-2,0 mm, upareno s površinskim otvrdnjavanjem i mjerama kontrole kamenca. Kada je prinuđen da bira između to dvoje, postrojenje sa dobrom kontrolom razmjera i kontinuiranim radom treba odabrati zid od 2,5 mm kako bi se maksimizirao vijek trajanja od erozije i korozije. Postrojenje sa serijskim radom, čestim termičkim ciklusima ili ograničenom sposobnošću uklanjanja kamenca treba odabrati zid od 1,5 mm kako bi se izbjeglo stvaranje kamenca i kvarovi zbog termičkog zamora. Specifikacija uvijek treba uključivati ​​zahtjeve za površinsku obradu i detalje o orijentaciji protoka, pretvarajući jednostavan izbor debljine u sveobuhvatan dizajn grijača za rukovanje suspenzijom.