Який максимально допустимий тепловий потік для нагрівача оболонки з титану класу 7, зануреного в 15% сірчану кислоту при 90 градусах, щоб уникнути локальної{3}}корозії, викликаної кипінням?

Високі температури при роботі з сірчаною кислотою є жорстким середовищем для титанового нагрівального обладнання. Титан 7 класу (Ti-0,15Pd) має добру корозійну стійкість у 15 % H2SO4 при 90 °C за умов звичайного занурення, але місцева хімія значно змінюється через наявність гарячої поверхні. На поверхні титанової оболонки відбувається локальне кипіння розчину сірчаної кислоти на межі розділу метал-рідина, коли тепловий потік досягає критичного значення. Кип’ятіння призводить до концентрації кислоти біля нагрітої поверхні та підвищує місцеву температуру вище об’ємної температури на 90 градусів, і може змінити поведінку корозії з пасивної на активну. Результатом є прискорений напад, який видно як кільце корозії на межі розділу пара-рідина або як утворення точок безпосередньо під прилиплими бульбашками пари. Ця стаття визначає максимально допустимий тепловий потік для нагрівачів з титанової оболонки класу 7 у 15% сірчаній кислоті при 90 градусах, щоб уникнути цього механізму корозії, спричиненого кипінням.

Процес корозії, викликаний кип'ятінням
Сірчана кислота є не-азеотропним розчином, температура кипіння якого залежить від її концентрації. Для 15% H₂SO₄ при атмосферному тиску температура кипіння становить приблизно 103 градуси. Бульбашки пари утворюються на дефектах поверхні, коли температура поверхні оболонки нагрівача перевищує місцеву температуру кипіння. Утворення бульбашки призводить до випаровування плівки рідини між ним і гарячою поверхнею, концентруючи сірчану кислоту в цьому тонкому шарі. Концентрація може зрости від 15% до 30-50% за мілісекунди від зародження бульбашки, а місцева температура на поверхні металу під бульбашкою досягає температури перегріву стінки, зазвичай на 5-20 градусів C вище температури кипіння в об’ємі.

In sulfuric acid, the passive-active transition of Grade 7 titanium is observed at a critical combination of concentration and temperature. Grade 7 is passive in 15% acid at 90 C with corrosion rate of less than 0.05 mm per year. In 30% acid at 100°C the corrosion rate increases to 0.5-1.0 mm/year. In 40% acid at 110°C, the rate is >5 мм/рік. Концентрований шар-, викликаний кипінням, локально створює агресивні умови, що призводить до швидкої втрати металу в місцях зародження бульбашок.

Визначення порогу теплового потоку
Критичний тепловий потік (CHF) для ядерного кипіння 15% сірчаної кислоти при 90 градусах є умовою, коли утворення парової бульбашки є досить інтенсивним, щоб підтримувати концентрований кислотний шар. Під час CHF бульбашки з’являються періодично та швидко відходять, дозволяючи концентрованому покриттю влитися в основну масу до початку серйозної корозії. Вище CHF щільність бульбашки зростає, відбувається коалесценція і можливе утворення суцільної плівки пари (перехід до плівкового кипіння). Ці ефекти прискорюють концентрацію та корозію.

Експериментальні дослідження з титановим тестовим зондом класу 7, зануреним у 15% H2SO4 під кутом 90 градусів, показали раптове підвищення швидкості корозії при теплових потоках, що перевищують 35 кВт/м2. Швидкість корозії при 25 кВт/м2 становить менше 0,05 мм/рік. При 35 кВт/м2 показник зростає до 0,10 мм/рік, що залишається прийнятним для більшості застосувань. При 45 кВт/м2 швидкість піднімається до 0,35 мм/рік. Швидкість перевищує 0,8 мм на рік при 55 кВт/м², і на межі розділу пара-рідина виникає видима кільцева корозія. Швидка локальна атака перфорує стіну 1,65 мм за 1000 годин при 65 кВт/м{sup 2}.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 років) експлуатації 40 кВт/м². Для застосувань із терміном служби 2-3 роки допускається 50 кВт/м2. Якщо значення перевищує 60 кВт/м², титан класу 7 не підходить, незалежно від товщини стінки.

Фактори, що пом'якшують, і матриця застосування
Умови експлуатації та налаштування нагрівача Максимально допустимий тепловий потік (кВт/м2) Очікуваний механізм корозії Рекомендована товщина стінки
Вертикальна орієнтація, повністю занурений, хороша природна конвекція 40 кВт/м² (безперервно) Рівномірна пасивна корозія<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Повністю занурений, горизонтальне вирівнювання, хороша конвекція 35 кВт/м² Низька концентрація кипіння на верхній поверхні 1,65 мм
Частково занурений (наявність розділу пара-рідина) 25 кВт/м2 Корозія кільця меніска 2,0 мм або запобігає частковому зануренню
Резервуар з перемішуванням (механічне або повітряне барботування) 50 кВт/м² Бульбашки, розбиті перемішуванням, знижує концентрацію на 1,2-1,5 мм
Низька циркуляція, застійний бак 30 кВт/м2 Довговічність бульбашок посилює атаку 1,65 мм
Будь-яка послуга з поверхневим забрудненням/накипом 25 кВт/м2 Забруднення підвищує місцеву температуру поверхні на 2,0 мм. Практичні рекомендації щодо проектування
Максимально допустимий тепловий потік для безперервної роботи без киплячої корозії для нагрівача з титановою оболонкою класу 7, зануреного в 15% сірчану кислоту при 90 градусах, становить 40 кВт/м^2. Цей тепловий потік призводить до температури поверхні приблизно на 8-10 градусів вище температури масової рідини, утримуючи поверхню металу нижче 100 градусів і обмежуючи рушійну потужність для зародження бульбашок пари. Інженери повинні збільшити площу нагрітої поверхні замість щільності ват, щоб отримати бажану швидкість нагріву в межах цього обмеження. Така ж загальна потужність може бути подана з меншим тепловим потоком, використовуючи довший нагрівач або багато трубок меншого діаметру в тандемі. Коли ви замовляєте нагрівач, запитайте розрахований тепловий потік оболонки (загальна потужність, поділена на площу зануреної поверхні оболонки) і переконайтеся, що вона не перевищує 40 кВт/м2. У системах із поганою циркуляцією або де часткове занурення неминуче, зменште допустимий потік до 25-30 кВт/м2 або виберіть альтернативний метод нагріву, наприклад барботування парою.