Jaký je dlouhodobý-rozdíl mezi tloušťkou pláště 1,5 mm a 2,5 mm u ohřívačů z nerezové oceli 316 v surové kaši 10% kyseliny fosforečné při 80 stupních s brusnými krystaly

Základní sleva-služby výroby kyseliny fosforečné

Výroba kyseliny fosforečné mokrým{0}}procesem vytváří surovou suspenzi 10% kyseliny fosforečné ve směsi krystalů hemihydrátu nebo dihydrátu síranu vápenatého, nezreagovaných částic fosforečnanu a různých kovových nečistot. Jedná se o velmi agresivní prostředí kvůli kombinaci mírně kyselého média (pH 1-}2) a pevných částic, které narušují pasivní povlak na nerezové oceli 316. Elektrické ponorné ohřívače v koncentrátorech kyseliny fosforečné a útočných nádržích jsou vystaveny kombinované chemické korozi a mechanickému oděru. Rozhodnutí o tloušťce pláště 1,5 mm oproti 2,5 mm je dlouhodobým výpočtem výkonu, kde je třeba vyvážit přídavný kov v tlustší stěně s tepelnými a mechanickými důsledky běhu s větším průřezem-. Na rozdíl od provozu čistých kapalin, kde je jedinou starostí koroze, tato aplikace zahrnuje sledování dvou vzájemně se ovlivňujících degradačních mechanismů v průběhu víceletých kampaní.

Eroze-Závislost korozního synergismu na tloušťce

Jednotná rychlost koroze nerezové oceli 316 v čisté kyselině fosforečné při 80 stupních je asi 0,1-0,3 mm/rok v závislosti na množství fluoridových a chloridových nečistot v surové kyselině. Přidáním abrazivních krystalů (krystalů hemihydrátu síranu vápenatého) obvykle o velikosti 10-100 mikronů a s tvrdostí podle Mohse 2,5-3,0 se degradační mechanismus přepne z čisté koroze na erozní-korozi. Ochranný pasivní povlak je průběžně odstraňován dopadajícími částicemi, které vystavují čerstvý kov působení kyseliny. Míra eroze-koroze není jen součtem rychlosti čisté eroze a rychlosti čisté koroze. Místo toho dochází k synergickému efektu, kdy rychlost koroze kontinuálně de{29}}pasivovaného kovu je podstatně větší než rychlost koroze stabilního pasivního povrchu. Publikované výsledky pro nerezovou ocel 316 v 10% kyselině fosforečné s 5-10% částic při 80 stupních a rychlosti suspenze 1,5 m/s ukazují rychlosti eroze-koroze 0,6-1,2 mm za rok, což je trojnásobek až šestinásobek čisté rychlosti koroze. Vypočítaná doba do perforace pod souvislou erozí-korozí je 1,3-2,5 roku pro tloušťku stěny 1,5 mm. Pro 2,5 mm stěnu je vypočtená doba 2,1–4,2 let. Tyto výpočty však předpokládají konstantní rychlost eroze a koroze. Ve skutečnosti, jak se stěna ztenčuje, mění se místní rozložení napětí na povrchu a rychlost eroze se může zvyšovat, protože tenčí stěna se při kontaktu s částicemi více prohýbá, což vede k větším lokálním napětím, které snadněji porušují povrch. Dlouhodobé výkonnostní statistiky z provozů na výrobu kyseliny fosforečné ukazují, že míra eroze a koroze se obecně zvyšuje o 20-40 %, když je tloušťka stěny menší než 1,0 mm. Takže 2,5mm stěna začíná s větším množstvím kovu a trvá déle, než se dostane do tohoto režimu zrychlení.

Mechanická role tloušťky stěn a energie dopadu krystalů

Brusné krystaly v suspenzi surové kyseliny fosforečné jednoduše nekloužou po povrchu, ale narážejí na něj z různých úhlů v závislosti na vzoru proudění kolem ohřívače. Při příčném-proudění částice v kaši narážejí na přední hranu válcové topné trubice v téměř normálních úhlech (vysoká energie nárazu, největší eroze) a na strany pod úhly pohledu (nižší eroze). Dopadová energie krystalu síranu vápenatého pohybujícího se rychlostí 1,5 m/s je 0,5 až 2 mikrojoule v závislosti na velikosti částic. Tato energie stačí k vytvoření mikro-plastické deformace na povrchu nerezové oceli 316. Hloubka plasticky zdeformované vrstvy z každého zásahu je obecně 1-5 mikronů. Úplného odstranění materiálu je dosaženo únavovým procesem s velkým počtem rázů: opakované rázy způsobují mechanické zpevnění, iniciaci lomu a nakonec oddělení malých kovových kousků. Rychlost úběru materiálu je nepřímo úměrná tvrdosti kovu a také závisí na kapacitě podkladového sypkého materiálu absorbovat energii nárazu bez roztříštění. Silnější stěna vede k většímu elastickému základu pod zasaženým povrchem. Pro nerezovou ocel 316 je modul pružnosti 193 GPa a tuhost stěny trubky v ohybu je úměrná třetí mocnině tloušťky pro daný vnější průměr. Tloušťka stěny 2,5 mm má tuhost v ohybu asi 4,6krát větší než tloušťka stěny 1,5 mm (2,5³/1,5³=4.6). Zvýšená tuhost snižuje dynamickou deformaci při dopadu částic, a tím snižuje špičkové kontaktní napětí a rychlost eroze. Terénní pozorování ve fosforových ohřívačích rostlin naznačují, že rychlosti eroze 2,5 mm stěnových trubek na náběžné hraně jsou často o 20-30 % menší než 1,5 mm stěnové trubice za stejných podmínek kalu pouze kvůli vlivu tuhosti.

Tepelný výkon trestu silnější stěny při faulu

Je dobře známo, že surová suspenze kyseliny fosforečné znečišťuje. Krystaly síranu vápenatého mají tendenci se hromadit na horkých površích. To způsobí, že se vytvoří vodní kámen, který izoluje trubku a omezí přenos tepla. Rychlost tvorby kotelního kamene závisí na povrchové teplotě ve vztahu k křivce rozpustnosti síranu vápenatého. Když je teplota pláště vyšší než 90-95 stupňů, rozpustnost hemihydrátu síranu vápenatého klesá a jeho srážení se urychluje. 1,5mm nástěnný ohřívač s hustotou 6 W/cm2 v 80stupňové kyselině má povrchovou teplotu pláště asi 95-100 stupňů, což je prahová hodnota pro zrychlené vytváření vodního kamene. Při stejné hustotě wattů vede 2,5mm stěna k teplotě pláště 110-120C, což je hodně v rozsahu měřítka. Nástěnná trubka o tloušťce 2,5 mm se usadí- rychleji a bude silnější než trubice 1,5 mm. Jakmile je vrstva vodního kamene na svém místě, přidává svůj vlastní tepelný odpor, který zvyšuje teplotu pláště ještě výše v cyklu sebezpevňování. Ekvivalentní tloušťka stěny 4,0 mm efektivního tepelného odporu stěny 2,5 mm s 0,5 mm okují síranu vápenatého. Tento kotel nejen inhibuje přenos tepla, ale také vytváří trhliny pod chemickým složením kyseliny, které se lokálně koncentrují a urychlují korozi. Rozdíl v dlouhodobém výkonu těchto dvou tlouštěk je tedy životně závislý na schopnosti upravit měřítko. Stěna o tloušťce 2,5 mm může v provozech dosáhnout prodloužené erozně-korozní životnosti pomocí mechanického čištění (odstředivky nebo škrabky) nebo chemického odstraňování vodního kamene. Stěna o tloušťce 1,5 mm může skutečně fungovat lépe v provozech, kde je povoleno shromažďování vodního kamene. Nižší povrchová teplota zpomaluje tvorbu vodního kamene, a když se tvoří vodní kámen, tenčí základní stěna udržuje vyšší tepelný tok kombinovanou vrstvou stěna plus šupina.

Tepelné cyklování a diferenční expanzní napětí

Koncentrátory kyseliny fosforečné pracují v dávkových cyklech nebo s přerušovaným plněním a ohřívač je tepelně cyklován z teploty okolí na 80 stupňů a zpět. Každý zahřívací cyklus způsobuje rozdílná expanzní napětí mezi odporovým drátem, izolací z oxidu hořečnatého a pláštěm z nerezové oceli. Protože tlustší část poskytuje větší odpor tepelné roztažnosti a kontrakci, je amplituda těchto napětí úměrná tloušťce pláště. Koeficient roztažnosti pro nerezovou ocel 316 pro teplotní posun o 80 stupňů je zhruba 0,1 % (16 × 10-6/ stupňů x 80 stupňů=0.00128). Pro trubku o vnějším průměru 12 mm je toto roztažení 0,015 mm. Stěna o tloušťce 1,5 mm snáze zvládne expanzi elastickou deformací než stěna o tloušťce 2,5 mm. Silnější stěna je vystavena větším cyklickým tlakům na kontaktu mezi pláštěm a izolací z oxidu hořečnatého po tisíce cyklů. To může vést k prasknutí izolace, což snižuje dielektrickou pevnost a nakonec vede k elektrickému selhání. Dlouhodobé-údaje o výkonu z fosforečných závodů naznačují, že 2,5mm stěnová topná tělesa mají po 3–5 letech provozu vyšší míru elektrického selhání (porucha izolace) než 1,5mm stěnová topidla, a to i v případě, že 2,5mm stěně stále zbývá odpovídající tloušťka kovu. Silnější stěna obětuje životnost proti korozi a erozi pro tepelnou únavovou životnost.

Dlouhodobý-výbor srovnání výkonu

Performance Metric 1,5mm pouzdro 2,5mm pouzdro
Eroze-rychlost koroze s 1,5 m/s kaše 0,6–1,2 mm/rok 0,5–0,9 mm/rok (o 20–30 % nižší kvůli tuhosti)
Doba do perforace (odhad) 1,3 až 2,5 roku 2,8 až 5,0 let
Teplota pláště při 6 W/cm² 95-100 stupňů 110-120 stupňů
Rychlost škálování (síran vápenatý) Střední (prahový režim) Vysoká (zrychlený režim)
Životnost tepelné únavy (cykly do selhání izolace) 4000-7000 cyklů 8000-12000 cyklů
Typická životnost uváděná pro zařízení na výrobu fosforu je 2–4 roky (omezený rozsah) 3–5 let (omezená tepelná únava)
Nejlepší využití Zařízení s možností odstraňování vodního kamene, dávkový provozStálý servis s malým prostorem pro vodní kámen
Praktické strategie pro prodloužení životnosti nad rámec výběru tloušťky

Samotná tloušťka pláště nevyřeší problém suspenze kyseliny fosforečné. Bylo prokázáno, že tři doplňková řešení prodlužují životnost ohřívače nad rámec toho, co by se dalo předvídat ze samotné tloušťky. 1. Řízení toku: vyrovnání trubek ohřívače rovnoběžně s tokem kalu namísto kolmého snižuje úhly nárazu a míru eroze o 40-60 %. Za druhé, povrchové kalení: Nitridace nebo boronizace povrchu nerezové oceli 316 zvyšuje tvrdost z 200 HV na 800-1000 HV, což výrazně snižuje rychlost eroze bez zvýšení tepelného odporu. Trubka 1,5 mm s tvrdším povrchem může být dvakrát odolnější než trubka 2,5 mm bez pevného povrchu. Za třetí, řízení kotelního kamene, s teplotou kyselin udržovanou pod 75 °C nebo použitím inhibitorů kotelního kamene, jako jsou polyakryláty, udržuje povrch pláště pod prahem srážení síranu vápenatého, takže je možné použít tenčí, tepelně účinnější stěny. Některé závody bez problémů používaly 1,2 mm stěnové ohřívače s povrchovým kalením a inhibicí vodního kamene po dobu pěti nebo více let, zatímco neošetřené 2,5 mm stěnové ohřívače selhaly kvůli přehřátí způsobenému vodním kamenem.

Závěr: Rozdíl ve výkonu je vysvětlen provozními podmínkami

Rozdíl dlouhodobého výkonu mezi 1,5 mm a 2,5 mm tloušťkou stěny u ohřívačů z nerezové oceli 316 v 10% surové kyselině fosforečné při 80 stupních není jednoduchou výhodou pro silnější stěnu. 2,5-mm stěna poskytuje 1,5 až 2,0krát delší erozní-životnost v nepřetržitém provozu s nízkým-usazováním, ale trpí vyššími povrchovými teplotami, které zvyšují rychlost tvorby kotelního kamene, a sníženou tepelnou únavovou životností. 1.5mm stěna má vynikající tepelný výkon, sníženou náchylnost k tvorbě kotel, 18} menší odolnost proti korozi{18} a delší životnost vůči korozi{13} korozi Pro většinu rostlin na výrobu kyseliny fosforečné je optimální tloušťka mezi těmito dvěma extrémy, kolem 1,8-2,0 mm, s povrchovým zpevněním a kontrolou vodního kamene. Pokud je zařízení s dobrou kontrolou vodního kamene a nepřetržitým provozem nuceno volit mezi těmito dvěma, měla by být vybrána 2,5 mm stěna, aby se maximalizovala životnost proti erozi a korozi. U zařízení pracujících v dávkovém režimu s častými tepelnými cykly nebo omezenými možnostmi odstraňování vodního kamene by měla být zvolena tloušťka stěny 1,5 mm, aby se předešlo poruchám tvorby kotelního kamene a tepelné únavy. Potřeby povrchové úpravy a orientace toku by měly být uvedeny ve specifikaci, čímž se jednoduchý výběr tloušťky změní na plnohodnotný design ohřívače pro manipulaci s kalem.