Hvad er den langsigtede præstationsforskel mellem 1,5 mm og 2,5 mm kappetykkelse for 316 varmelegemer i rustfrit stål i 10 % fosforsyre-råopslæmning ved 80 grader med slibende krystaller

Den grundlæggende afvejning- i tjenesten for fosforsyreproduktion

Fosforsyreproduktion i våd-proces producerer en rå opslæmning af 10 % fosforsyre i en blanding af calciumsulfat-hemihydrat- eller dihydratkrystaller, ureagerede fosfatstenpartikler og forskellige metalliske forurenende stoffer. Dette er et meget aggressivt miljø på grund af kombinationen af ​​et mildt surt medium (pH 1-2) og faste partikler, som eroderer den passive belægning på 316 rustfrit stål. Elektriske dyppevarmere i fosforsyrekoncentratorer og angrebstanke udsættes for kombineret kemisk korrosion og mekanisk slid. Beslutningen om kappetykkelse, 1,5 mm versus 2,5 mm, er en langsigtet ydeevneberegning, hvor det ekstra metal i den tykkere væg skal afbalanceres mod de termiske og mekaniske implikationer af at køre med et større{11}} tværsnit. I modsætning til ren væskeservice, hvor den eneste bekymring er korrosion, involverer denne applikation overvågning af to interagerende nedbrydningsmekanismer på tværs af flerårige kampagner.

Erosion-Korrosionssynergismeafhængighed af tykkelse

Den ensartede korrosionshastighed for 316 rustfrit stål i ren phosphorsyre ved 80 grader er ca. 0,1 -0,3 mm/år afhængigt af mængden af ​​fluorid- og chloridurenheder i råsyren. Ved at tilføje slibende krystaller (calciumsulfathemihydratkrystaller) typisk 10-100 mikron i størrelse og med en Mohs hårdhed på 2,5-3,0 skifter nedbrydningsmekanismen fra ren korrosion til erosion{18}}korrosion. Den beskyttende passive belægning fjernes kontinuerligt ved at de stødende partikler udsætter frisk metal for syren. Erosions{21}}korrosionshastigheden er ikke kun summen af ​​den rene erosionshastighed og den rene korrosionshastighed. I stedet finder en synergisk effekt sted, hvor korrosionshastigheden af ​​det kontinuerligt de{29}}passiverede metal er væsentligt større end korrosionshastigheden af ​​en stabil passiv overflade. Publicerede resultater for 316 rustfrit stål i 10 % fosforsyre med 5-10 % partikler ved 80 grader og en gyllehastighed på 1,5 m/s viser erosion-korrosionshastigheder på 0,6-1,2 mm om året, hvilket er tre til seks gange den rene korrosionshastighed. Den beregnede tid til perforering under den kontinuerlige erosion-korrosion er 1,3-2,5 år for 1,5 mm godstykkelse. For 2,5 mm væg er den beregnede tid 2,1–4,2 år. Disse beregninger forudsætter dog en konstant erosion-korrosionshastighed. I virkeligheden, efterhånden som væggen bliver tyndere, ændres den lokale spændingsfordeling ved overfladen, og erosionshastigheden kan stige, fordi en tyndere væg afbøjes mere ved partikelkontakt, hvilket fører til større lokale spændinger, der lettere brækker overfladen. Langtidsydelsesstatistikker fra fosforsyreanlæg viser, at erosions-korrosionshastigheden generelt stiger med 20-40%, når vægtykkelsen er mindre end 1,0 mm. Så væggen på 2,5 mm starter med mere metal og tager længere tid at komme ind i dette accelerationsregime.

Mekanisk rolle for tykkelse af vægge og krystaleffektenergi

De slibende krystaller i den rå phosphorsyreopslæmning glider ikke blot hen over overfladen, men rammer den fra forskellige vinkler afhængigt af strømningsmønsteret omkring varmelegemet. I kryds-strøm rammer partikler i gyllen forkanten af ​​et cylindrisk varmerør i næsten normale vinkler (høj slagenergi, største erosion) og siderne i blikvinkler (lavere erosion). Slagenergien af ​​en calciumsulfatkrystal, der bevæger sig med 1,5 m/s, er 0,5 til 2 mikrojoule afhængig af partikelstørrelsen. Denne energi er nok til at producere mikro-plastisk deformation på overfladen af ​​316 rustfrit stål. Dybden af ​​det plastisk forvrængede lag fra hvert hit er generelt 1-5 mikron. Den totale fjernelse af materiale opnås ved en udmattelsesproces med et stort antal påvirkninger: gentagne stød giver arbejdshærdning, brudinitiering og til sidst adskillelse af små metalstykker. Materialefjernelseshastigheden er omvendt relateret til metallets hårdhed og afhænger også af det underliggende bulkmateriales kapacitet til at absorbere stødenergi uden at splintre. En tykkere væg fører til et større elastisk fundament under den stødte overflade. For 316 rustfrit stål er elasticitetsmodulet 193 GPa, og rørvæggens stivhed ved bøjning er proportional med terningen af ​​tykkelsen for en given ydre diameter. En vægtykkelse på 2,5 mm har en bøjningsstivhed på ca. 4,6 gange den for en vægtykkelse på 1,5 mm (2,5³/1,5³=4.6). Den øgede stivhed reducerer den dynamiske afbøjning ved påvirkning af partikler og reducerer derved den maksimale kontaktspænding og erosionshastighed. Feltobservationer i fosforholdige anlægsvarmere indikerer, at erosionsraterne for 2,5 mm vægrør på forkanten ofte er 20-30 % mindre end 1,5 mm vægrør under samme gylleforhold udelukkende på grund af stivhedspåvirkning.

Termisk ydeevne straf af tykkere væg i en begroningsservice

Råopslæmning af fosforsyre er velkendt for at forurene. Calciumsulfatkrystaller har en tendens til at samle sig på varme overflader. Dette medfører, at der dannes en skæl, som isolerer røret og begrænser varmeoverførslen. Skæludviklingshastigheden er afhængig af overfladetemperaturen i forhold til opløselighedskurven for calciumsulfat. Når kappetemperaturen er over 90-95 grader, falder opløseligheden af ​​calciumsulfathemihydrat, og dets udfældning accelereres. En 1,5 mm vægvarmer med en watt-densitet på 6 W/cm2 i 80 graders bulksyre har en kappeoverfladetemperatur på omkring 95-100 grader ved tærsklen for accelereret skalering. Ved samme watt-tæthed fører en 2,5 mm væg til en kappetemperatur på 110-120C, et godt stykke ind i skaleringsområdet. 2,5 mm vægrøret vil få kalkopbygning- hurtigere og tykkere end 1,5 mm røret. Når skællaget er på plads, tilføjer det sin egen termiske modstand, hvilket presser kappetemperaturen endnu højere i en selvforstærkende cyklus. Den ækvivalente vægtykkelse på 4,0 mm af den effektive termiske modstand af en væg på 2,5 mm med 0,5 mm calciumsulfatskala. Denne skala hæmmer ikke kun varmetransport, men producerer også sprækker under bulksyrekemien, som bliver lokalt koncentreret og accelererer korrosion. Således er forskellen i langtidsydelse af de to tykkelser afgørende afhængig af evnen til at justere skalaen. 2,5 mm væggen kan opnå sin forlængede erosions-korrosionslevetid i anlæg ved hjælp af mekanisk rensning (spindere eller skrabere) eller kemisk afkalkning. 1,5 mm væggen kan faktisk fungere bedre i planter, hvor det er tilladt at samle kalk. Den lavere overfladetemperatur forsinker belægningsdannelsen, og når der dannes belægninger, opretholder den tyndere basisvæg højere varmeflux gennem det kombinerede væg-plus-skala lag.

Termisk cykling og differentielle udvidelsesspændinger

Fosforsyrekoncentratorerne kører i batch-cyklusser eller med intermitterende tilførsel, og varmeren er termisk cyklus fra omgivelsestemperatur til 80 grader og tilbage. Hver opvarmningscyklus forårsager differentielle ekspansionsspændinger mellem modstandstråden, magnesiumoxidisoleringen og den rustfri stålkappe. Da en tykkere sektion giver mere modstand mod termisk udvidelse og kontraktion, er amplituden af ​​disse spændinger proportional med tykkelsen af ​​kappen. Udvidelseskoefficienten for 316 rustfrit stål for en temperaturforskydning på 80 grader er ca. 0,1 % (16 × 10-6/ grad x 80 grader=0.00128). For et rør med en ydre diameter på 12 mm er denne udvidelse 0,015 mm. En 1,5 mm væg kan lettere håndtere ekspansionen ved elastisk deformation end en 2,5 mm væg. Den tykkere væg udsættes for større cykliske tryk ved kontakten mellem kappen og magnesiumoxidisoleringen over tusindvis af cyklusser. Dette kan føre til revnedannelse i isoleringen, hvilket mindsker den dielektriske styrke og til sidst fører til elektrisk fejl. Langsigtede ydelsesdata fra fosforanlæg indikerer, at 2,5 mm vægvarmere har en højere grad af elektrisk fejl (isoleringsnedbrud) end 1,5 mm vægvarmere efter 3-5 års drift, selv når 2,5 mm væggen stadig har en passende metaltykkelse tilbage. Den tykkere væg ofrer korrosions-erosion levetid for termisk udmattelseslevetid.

Langsigtet-performancesammenligning

Ydeevne metrisk 1,5 mm kappe 2,5 mm kappe
Erosion-korrosionshastighed med 1,5 m/s gylle 0,6-1,2 mm/år 0,5-0,9 mm/år (20-30 % lavere på grund af stivhed)
Tid til perforering (estimeret) 1,3 til 2,5 år 2,8 til 5,0 år
Skedetemperatur ved 6 W/cm² 95-100 grader 110-120 grader
Skaleringshastighed (calciumsulfat)Moderat (tærskelregime) Høj (accelereret regime)
Termisk træthedslevetid (cyklusser indtil isolationsfejl) 4000-7000 cyklusser 8000-12000 cyklusser
Typisk rapporteret levetid for fosforholdige anlæg er 2-4 år (skalabegrænset) 3-5 år (termisk træthed begrænset)
Bedste brug Anlæg med afkalkningsevne, batchdrift Løbende service med lidt plads til skala
Praktiske strategier for livstidsforlængelse ud over tykkelsesvalg

Kappens tykkelse alene vil ikke løse problemet med fosforsyreopslæmning. Tre komplementære løsninger er blevet demonstreret til at forlænge varmelegemets levetid ud over, hvad der ville blive forudsagt ud fra tykkelsen alene. 1. Flowstyring: Justering af varmerørene parallelt med gyllestrømmen i stedet for vinkelret reducerer anslagsvinkler og erosionshastigheder med 40-60 %. For det andet overfladehærdning: Nitrering eller borering af overfladen af ​​316 rustfrit stål hæver hårdheden fra 200 HV til 800-1000 HV, hvilket i høj grad reducerer erosionshastigheden uden at øge den termiske modstand. Et 1,5 mm rør med en hårdere overflade kan være dobbelt så holdbart som et 2,5 mm rør uden hård overflade. For det tredje holder kedelstensbehandling, med bulksyretemperaturen holdt under 75 grader eller brugen af ​​kedelstensinhibitorer såsom polyacrylater, kappeoverfladen under calciumsulfatudfældningstærsklen, så brugen af ​​tyndere, mere termisk effektive vægge er mulig. Nogle anlæg har brugt 1,2 mm vægvarmere med overfladehærdning og kalkhæmning i fem eller flere år uden problemer, mens ubehandlede 2,5 mm vægvarmere fejlede på grund af kalkfremkaldt overophedning.

Konklusion: Ydelsesforskel forklaret af driftsbetingelser

Den langsigtede ydelsesforskel mellem 1,5 mm og 2,5 mm vægtykkelse for 316 varmeovne i rustfrit stål i 10 % phosphorsyre-råopslæmning ved 80 grader er ikke en simpel fordel for den tykkere væg. 2,5-mm-væggen giver 1,5 til 2,0 gange så lang erosions--korrosionslevetid ved kontinuerlig, lav-skalering, men lider af højere overfladetemperaturer, der øger skaleringshastigheder og af reduceret termisk træthedslevetid. 1.5mm-væg har overlegen termisk ydeevne og længere levetid, reduceret termisk ydeevne, længere fedtevne metalreserve til erosion-korrosion. For de fleste fosforsyreplanter er den optimale tykkelse mellem disse to yderpunkter, omkring 1,8-2,0 mm, med overfladehærdning og kalkkontrol anvendt. Hvis et anlæg med god skalakontrol og kontinuerlig drift er tvunget til at vælge mellem de to, bør væggen på 2,5 mm vælges for at maksimere erosion-korrosionslevetiden. For anlæg, der arbejder i batch-tilstand, med hyppige termiske cyklusser eller begrænsede afkalkningsmuligheder, skal der vælges en vægtykkelse på 1,5 mm for at undgå afskalning og termisk træthedsfejl. Overfladebehandlingsbehov og floworientering bør være givet i specifikationerne, hvilket gør et simpelt tykkelsesvalg til et fuldgyldigt gyllehåndteringsvarmerdesign.