Яка-довгострокова різниця в продуктивності між товщиною оболонки 1,5 мм і 2,5 мм для нагрівачів з нержавіючої сталі 316 у суспензії 10% сирої фосфорної кислоти при 80 градусах з абразивними кристалами

Основний компроміс-у службі виробництва фосфорної кислоти

Виробництво фосфорної кислоти за мокрим-процесом утворює сиру суспензію 10% фосфорної кислоти в суміші кристалів напівгідрату або дигідрату сульфату кальцію, частинок фосфату, що не прореагував, і різних металевих забруднень. Це дуже агресивне середовище через поєднання помірно кислого середовища (pH 1-2) і твердих частинок, які руйнують пасивне покриття нержавіючої сталі 316. Електричні занурювальні нагрівачі в концентраторах фосфорної кислоти та резервуарах для атаки піддаються комбінованій хімічній корозії та механічному стиранню. Рішення щодо товщини оболонки, 1,5 мм проти 2,5 мм, є довгостроковим розрахунком продуктивності, де додатковий метал у товстій стінці потрібно збалансувати з термічними та механічними наслідками роботи з більшим-перерізом. На відміну від обслуговування чистих рідин, де єдине занепокоєння – це корозія, ця програма передбачає моніторинг двох взаємодіючих механізмів деградації протягом багаторічних кампаній.

Ерозія-Корозія Синергізм залежність від товщини

Рівномірна швидкість корозії нержавіючої сталі 316 у чистій фосфорній кислоті при 80 градусах становить приблизно 0,1-0,3 мм/рік залежно від кількості домішок фтору та хлориду в сирій кислоті. Додаючи абразивні кристали (кристали напівгідрату сульфату кальцію), як правило, розміром 10-100 мікрон і з твердістю за Моосом 2,5-3,0, механізм деградації перемикається від чистої корозії до ерозійної-корозії. Захисне пасивне покриття безперервно видаляється за допомогою частинок, що стикаються, піддаючи свіжий метал дії кислоти. Швидкість ерозійної-корозії — це не просто сума швидкості чистої ерозії та швидкості чистої корозії. Натомість має місце синергетичний ефект, коли швидкість корозії постійно де-пасивованого металу є значно вищою, ніж швидкість корозії стабільної пасивної поверхні. Опубліковані результати для нержавіючої сталі 316 у 10% фосфорній кислоті з 5-10% частинками при 80 градусах і швидкості суспензії 1,5 м/с показують швидкість ерозії та корозії 0,6-1,2 мм на рік, що в три-шість разів перевищує швидкість чистої корозії. Розрахунковий час до перфорації при безперервній ерозії-корозії становить 1,3-2,5 року для товщини стінки 1,5 мм. Для стінки 2,5 мм розрахований час становить 2,1–4,2 року. Однак ці розрахунки передбачають постійну швидкість ерозії та корозії. Насправді, коли стінка стає тоншою, локальний розподіл напруги на поверхні змінюється, і швидкість ерозії може збільшуватися, оскільки тонша стінка більше прогинається при контакті частинок, що призводить до більших локальних напруг, які легше ламають поверхню. Довгострокові статистичні дані заводів з виробництва фосфорної кислоти показують, що швидкість ерозії та корозії зазвичай зростає на 20-40%, якщо товщина стінки менше 1,0 мм. Таким чином, стінка 2,5 мм спочатку містить більше металу, і їй потрібно більше часу, щоб увійти в цей режим прискорення.

Механічна роль товщини стінок і енергії удару кристала

Кристали абразиву в суспензії сирої фосфорної кислоти не просто ковзають по поверхні, а вдаряються по ній під різними кутами залежно від схеми потоку навколо нагрівача. У перехресному-потоці частинки в суспензії стикаються з переднім краєм циліндричної нагрівальної труби під майже звичайним кутом (висока енергія удару, найбільша ерозія), а з боків — під кутом розбігу (менша ерозія). Енергія удару кристала сульфату кальцію, що рухається зі швидкістю 1,5 м/с, становить від 0,5 до 2 мікроджоулів залежно від розміру частинок. Цієї енергії достатньо для мікро-пластичної деформації на поверхні нержавіючої сталі 316. Глибина пластично деформованого шару від кожного удару зазвичай становить 1-5 мкм. Повне видалення матеріалу досягається процесом втоми з великою кількістю ударів: повторювані удари викликають деформаційне зміцнення, початок руйнування і, нарешті, відокремлення дрібних шматочків металу. Швидкість видалення матеріалу обернено пропорційна твердості металу, а також залежить від здатності базового сипучого матеріалу поглинати енергію удару без руйнування. Більш товста стінка веде до більшої пружної основи під поверхнею удару. Для нержавіючої сталі 316 модуль пружності становить 193 ГПа, а жорсткість стінки труби при вигині пропорційна кубу товщини для заданого зовнішнього діаметра. Товщина стінки 2,5 мм має жорсткість на вигин приблизно в 4,6 рази більшу, ніж у стінки товщиною 1,5 мм (2,5³/1,5³=4.6). Підвищена жорсткість зменшує динамічний прогин під час удару частинок і, таким чином, зменшує пікове контактне напруження та швидкість ерозії. Польові спостереження в обігрівачах фосфорної установки вказують на те, що швидкість ерозії труб зі стінкою 2,5 мм на передній кромці часто на 20-30% нижча, ніж у труб зі стінкою 1,5 мм за тих самих умов суспензії виключно через вплив жорсткості.

Погіршення теплових характеристик більшої товщини стінки в умовах забруднення

Відомо, що сира фосфорна кислота забруднює навколишнє середовище. Кристали сульфату кальцію мають властивість накопичуватися на гарячих поверхнях. Це призводить до утворення накипу, який ізолює трубку та обмежує теплопередачу. Швидкість утворення накипу залежить від температури поверхні відносно кривої розчинності сульфату кальцію. Коли температура оболонки перевищує 90-95 градусів, розчинність напівгідрату сульфату кальцію падає, а його осадження прискорюється. Настінний обігрівач діаметром 1,5 мм із щільністю ват 6 Вт/см2 у масовій кислоті 80 градусів має температуру поверхні оболонки приблизно 95-100 градусів, що є порогом для прискореного масштабування. За тієї самої щільності ват, стінка товщиною 2,5 мм призводить до температури оболонки 110-120C, що знаходиться в діапазоні масштабування. На трубці зі стінкою 2,5 мм накип-утворюється швидше та товщі, ніж на трубці 1,5 мм. Щойно шар накипу на місці, він додає власний термічний опір, що підвищує температуру оболонки ще вище в циклі само-зміцнення. Еквівалентна товщина стінки 4,0 мм ефективного теплового опору стінки 2,5 мм з 0,5 мм окалини сульфату кальцію. Цей накип не тільки перешкоджає транспортуванню тепла, але й утворює тріщини під основною хімічною речовиною кислоти, яка стає локально концентрованою та прискорює корозію. Таким чином, різниця в довгостроковій продуктивності двох товщин життєво залежить від здатності регулювати масштаб. Стінка товщиною 2,5 мм може досягти свого тривалого ерозійно-корозійного терміну служби в установках за допомогою механічного очищення (вершини або скребки) або хімічного видалення накипу. Стінка товщиною 1,5 мм може справді працювати краще на заводах, де дозволено накопичувати накип. Нижча температура поверхні затримує утворення накипу, а коли накип утворюється, тонша основна стінка підтримує більший тепловий потік через об’єднаний шар стінка плюс накип.

Термоциклічні та диференціальні напруги розширення

Концентратори фосфорної кислоти працюють у періодичних циклах або з періодичною подачею, а нагрівач циклічно змінює температуру від температури навколишнього середовища до 80 градусів і назад. Кожен цикл нагрівання викликає диференціальне напруження розширення між опорним дротом, ізоляцією з оксиду магнію та оболонкою з нержавіючої сталі. Оскільки більш товстий перетин дає більший опір тепловому розширенню та звуженню, амплітуда цих напруг пропорційна товщині оболонки. Коефіцієнт розширення для нержавіючої сталі 316 для зміни температури на 80 градусів становить приблизно 0,1% (16 × 10-6/ градус x 80 градусів=0.00128). Для трубки із зовнішнім діаметром 12 мм це розширення становить 0,015 мм. Стінка товщиною 1,5 мм легше витримує розширення за рахунок пружної деформації, ніж стінка товщиною 2,5 мм. Більш товста стінка піддається більшому циклічному тиску на контакті між оболонкою та ізоляцією з оксиду магнію протягом тисяч циклів. Це може призвести до розтріскування ізоляції, що зменшує діелектричну міцність і, зрештою, призводить до електричної несправності. Довгострокові -дані продуктивності фосфорних заводів показують, що стінні обігрівачі 2,5 мм мають вищий рівень електричних збоїв (пробій ізоляції), ніж стінні обігрівачі 1,5 мм після 3-5 років експлуатації, навіть якщо стінка 2,5 мм має належну товщину металу. Більш товста стінка жертвує корозійно-ерозійним терміном служби заради термічної втоми.

Анотація про-порівняння довгострокових показників

Метрика продуктивності 1,5 мм оболонка 2,5 мм оболонка
Ерозія-швидкість корозії з суспензією 1,5 м/с 0,6-1,2 мм/рік 0,5-0,9 мм/рік (на 20-30% нижче через жорсткість)
Час до перфорації (приблизно) 1,3-2,5 року 2,8-5,0 років
Температура оболонки при 6 Вт/см² 95-100 градусів 110-120 градусів
Швидкість утворення накипу (сульфат кальцію) Помірна (пороговий режим) Висока (прискорений режим)
Стійкість до термічної втоми (цикли до руйнування ізоляції) 4000-7000 циклів 8000-12000 циклів
Типовий термін служби фосфорних установок становить 2-4 роки (масштаб обмежений) 3-5 років (термічна втома обмежена)
Оптимальне використання Установки з можливістю видалення накипу, пакетна робота Постійне обслуговування з невеликим простором для масштабу
Практичні стратегії продовження терміну служби за межами вибору товщини

Сама по собі товщина оболонки не вирішить проблему шламу фосфорної кислоти. Було продемонстровано, що три взаємодоповнюючі рішення подовжують термін служби нагрівача понад той, який можна було б передбачити лише за товщиною. 1. Керування потоком: вирівнювання труб нагрівача паралельно потоку суспензії замість перпендикулярного зменшує кути удару та швидкість ерозії на 40-60%. По-друге, зміцнення поверхні: азотування або боронування поверхні нержавіючої сталі 316 підвищує твердість з 200 HV до 800-1000 HV, значно знижуючи швидкість ерозії без збільшення термічного опору. Трубка діаметром 1,5 мм із твердішою поверхнею може бути вдвічі міцнішою, ніж трубка діаметром 2,5 мм без жорсткої поверхні. По-третє, управління накипом, коли температура основної кислоти підтримується нижче 75 градусів або використання інгібіторів накипу, таких як поліакрилати, утримує поверхню оболонки нижче порогу осадження сульфату кальцію, тому можливе використання тонших, термічно ефективніших стінок. Деякі заводи без проблем використовували 1,2-мм настінні обігрівачі з поверхневим зміцненням і блокуванням накипу протягом п’яти або більше років, тоді як необроблені настінні нагрівачі 2,5 мм виходили з ладу через перегрів, спричинений накипом.

Висновок: різниця в продуктивності пояснюється умовами експлуатації

Довгострокова-різниця продуктивності між товщиною стінки від 1,5 мм до 2,5 мм для нагрівачів із нержавіючої сталі 316 у суспензії сирої фосфорної кислоти 10% при 80 градусах не є простою перевагою для товщої стінки. Стінка товщиною 2,5-мм забезпечує в 1,5–2,0 рази довший термін експлуатації-корозії при безперервній експлуатації з низьким-утворенням накипу, але страждає від вищих температур поверхні, які збільшують швидкість утворення накипу, і від зниженого терміну служби від термічної втоми. 1.5мм стіна має чудову термічну ефективність, знижену схильність до утворення накипу та довший термін служби від термічної втоми, але менший запас металу для ерозія-корозія. Для більшості заводів з виробництва фосфорної кислоти оптимальна товщина знаходиться між цими двома крайніми значеннями, приблизно 1,8-2,0 мм, із застосуванням зміцнення поверхні та контролю накипу. Якщо установка з хорошим контролем накипу та безперервною роботою змушена вибирати між двома, слід вибрати стінку 2,5 мм, щоб максимізувати термін експлуатації від ерозії та корозії. Для установок, що працюють у періодичному режимі, з частими термічними циклами або обмеженими можливостями видалення накипу, товщина стінки повинна становити 1,5 мм, щоб уникнути утворення накипу та пошкоджень через термічну втому. Потреби в обробці поверхні та орієнтація потоку повинні бути визначені специфікацією, перетворюючи простий вибір товщини на повноцінну конструкцію нагрівача для обробки суспензії.