La ce prag critic de concentrație și temperatură acid sulfuric devine nesigură o manta din oțel inoxidabil 316 de 1,6 milimetri pentru încălzirea prin imersie continuă peste 15 wați pe centimetru pătrat?

Inginerii de procese chimice care proiectează încălzitoare electrice cu imersie pentru serviciul cu acid sulfuric în liniile de decapare a metalelor, producția de baterii și reactoarele de sinteză chimică trebuie să cunoască cu precizie limitele de concentrație-temperatură la care are loc ruperea pasivă a filmului, dacă doresc să aleagă oțel inoxidabil 316 ca material de înveliș. Dintre acizii minerali, doar acidul sulfuric este coroziv maxim pentru oțelul inoxidabil 316 la concentrații intermediare (40–60%) și scade la concentrații mai mici și mai mari. Un standard tipic de grosime a peretelui de 1,6 mm oferă un compromis între transmisia practică a căldurii și robustețea mecanică. Dar operarea peste amestecul crucial de concentrație, temperatură și densitate în wați poate duce la coroziune activă rapidă, reducând durata de viață a învelișului de la ani la săptămâni. În această lucrare, limitele exacte ale mantalei 316 de 1,6 mm, care nu este sigură pentru încălzirea continuă cu imersie la densități de putere mai mari de 15 W/cm2 .

Schimbarea de la pasivitate la activitate în 316 expus la acid sulfuric
Rezistența la coroziune a oțelului inoxidabil 316 în acid sulfuric depinde de stabilitatea acoperirii pasive cu oxid de crom. Filmul pasiv este stabil în acid sulfuric diluat la concentrații sub 15% până la 60 de grade, iar ratele de coroziune sunt mai mici de 0,1 mm pe an. La creșterea concentrației la 40-60%, tendința de reducere a acidului domină pelicula pasivă și are loc o trecere la coroziune activă cu rate de 5-20 mm pe an. La concentrații de peste 70%, acidul sulfuric se oxidează din nou, repasivând suprafața 316 și scăzând ratele de coroziune sub 0,5 mm/an. Temperatura suprafeței învelișului este de obicei cu 20-50 de grade peste temperatura acidului în vrac datorită fluxului de căldură pentru un încălzitor cu imersie. Temperatura suprafeței învelișului unui încălzitor de 15 W/cm^2 în acid vrac de 50 de grade poate fi de 80-90 de grade. Acest lucru are ca rezultat o temperatură mai ridicată a suprafeței și o schimbare a tranziției de la pasiv la activ la concentrații mai mici. O concentrație de acid în vrac de 30% care este sigură la 50C poate fi agresivă la suprafața învelișului dacă temperatura locală depășește 70C. Prin urmare, fereastra de lucru sigură pentru o manta de 1,6 mm 316 este determinată de cea mai mare temperatură a suprafeței, nu de temperatura acidului în vrac.

Praguri critice pentru un perete de 1,6 milimetri la 15 wați pe centimetru pătrat
Testarea experimentală a coroziunii pe 316 de eșantioane cu o lustruire a suprafeței tipică pentru teaca de încălzire presărată (0,5 până la 0,8 microni Ra) oferă următoarele praguri esențiale pentru începerea coroziunii active. Concentrația critică de acid sulfuric pentru descompunerea filmului pasiv este de aproximativ 55% la temperatura suprafeței de 60 de grade. Concentrația critică este redusă la 48% la temperatura de suprafață de 70 de grade. La 80 de grade, pragul scade la 42%. La 90 de grade este 38%. La 100 de grade se reduce la 32%. Pentru un perete de 1,6 mm la 15 W/cm2, creșterea temperaturii de la acidul în vrac la suprafața învelișului este de aproximativ 25-30 de grade în acidul circulat natural. Acidul în vrac este la 50 de grade și suprafața învelișului la 75-80 de grade. Prin urmare, concentrația critică este de aproximativ 40%. Dacă concentrația de acid în vrac este peste 40% la această temperatură, coroziunea activă va începe în câteva zile. Odată ce coroziunea activă a început, viteza de coroziune este de obicei de 5-15 mm/an, prin urmare, o teacă de 1,6 mm se va perfora în 1-4 luni. Sub concentrația critică, la aceeași temperatură a suprafeței, viteza de coroziune este sub 0,2 mm/an, permițând o durată de viață de 5-8 ani. Este o schimbare bruscă, nu una treptată. O modificare de 2-3% a concentrației sau 5 grade a temperaturii poate implica diferența dintre ani de funcționare și eșec catastrofal în câteva săptămâni.

Înveliș 316 de 1,6 mm în acid sulfuric - Anvelopă de funcționare sigură
Următorul tabel descrie suprafața de funcționare sigură pentru o manta din oțel inoxidabil 316 de 1,6 mm la o densitate în wați de 15 W/cm2 . Valorile reprezintă combinații de concentrație de acid în vrac și temperatură pentru care temperatura suprafeței învelișului este sub temperatura de tranziție pasivă-la-activă.

Temperatura maximă sigură în vrac pentru 1,6 mm înveliș la 15 W/cm2 Concentrație în vrac de acid sulfuric Temperatura suprafeței învelișului la vrac maxim sigur Rata de coroziune estimată Durată estimată la 1,6 mm 0 – 10% 95 grade 120 – 125 grade 0,08 – 125 grade 0,18 mm –/an 20% 90 grade 115 – 120 grade 0,10 – 0,20 mm/an 6 – 10 ani 20 – 30% 80 grade 105 – 110 grade 0,15 – 0,30 mm/an 4 – 8 ani 30 – 35% grade 90 – 92 grade 90 – 92 % 0,40 mm/an 3 – 5 ani50 grade 75 – 80 grade 0,30 – 0,60 mm/an 2 – 4 ani 40 – 45%Nesigur la orice temperatură Mai mult de 65 de grade Coroziune activă > 5 mm/an Săptămâni până la luni
45 – 60% Nu este sigur la orice temperatură Orice Coroziune activă > 10 mm/an Zile până la săptămâni
60 – 70% 50 grade 75 – 80 grade 0,50 – 1,00 mm/an 1 – 2 ani (tranzitorie)80 grade 105 – 110 grade 0,20 – 0,40 mm/an 3 – 5 ani (re{16}pasivat)
80 – 93% 100 grade 125 – 130 grade 0,10 – 0,20 mm/an 6 – 10 ani
Peste 93% 120 grade 145 – 150 grade 0,05 – 0,10 mm/an 10 – 15 ani
Pentru concentrații de acid în vrac de la 40 la 60%, nicio combinație de temperatură în vrac și densitate în wați nu va oferi o înveliș sigur de 1,6 mm 316 pentru serviciu continuu. Filmul pasiv este instabil la orice temperatură mai mare de 30 de grade, iar temperatura ridicată de pe suprafața mantalei cauzată de fluxul de căldură asigură coroziunea activă. La acest interval de concentrație, inginerii trebuie să specifice un aliaj mai rezistent la coroziune, cum ar fi aliajul 20 (Carpenter 20) sau aliajul 825, sau să utilizeze o tehnologie de încălzire ne-metalică, cum ar fi un încălzitor cu imersie cu grafit sau carbură de siliciu. De exemplu, acid sulfuric 38% la o temperatură de 55 de grade în vrac, la marginea învelișului sigur, o ușoară deranjare a procesului poate împinge teaca în regiunea activă. Inginerii trebuie să aplice o marjă de siguranță de cel puțin 5 grade sub temperatura maximă de siguranță specificată în tabel.

Modificări de proiectare pentru extinderea pachetului de operare sigur
Când condițiile de proces se apropie de pragurile critice pentru o manta 316 de 1,6 mm, trei ajustări de proiectare pot extinde mediul de operare sigur fără a schimba materialul învelișului. Primul este de a minimiza densitatea de wați. Dacă lucrăm la 8 W/cm² în loc de 15 W/cm², temperatura suprafeței tecii scade cu aproximativ 15-20 de grade. Un încălzitor este periculos la 15 W/cm2 în acid sulfuric 38% la 60 de grade (temperatura suprafeței 85–90 de grade) și sigur la 8 W/cm2 (temperatura suprafeței 70–75 de grade). Compensația este o lungime sau un diametru mai mare a încălzitorului. O a doua ajustare este de a crește fluxul de acid pe suprafața învelișului. Circulația forțată de către o pompă sau un agitator crește coeficientul de transfer termic de la 200 – 500 W/m 2 K în convecție naturală la 1000 – 2000 W/m 2 K în debit turbulent, scăzând creșterea temperaturii suprafeței cu 40 – 60 %. Astfel, un încălzitor care produce o creștere cu 30 grade C a acidului stagnant poate produce doar o creștere cu 12 grade C a acidului bine circulat și poate menține suprafața învelișului sub nivelul critic. A treia modificare este adăugarea unui agent oxidant la acid. Trecerea de la stările pasive la cele active poate fi deplasată la temperaturi și concentrații mai ridicate prin menținerea potențialului de oxidare al soluției cu o concentrație mică (0,1-0,5%) de acid azotic sau peroxid de hidrogen. Dar acest lucru nu este întotdeauna posibil din cauza constrângerilor de proces. În instalațiile critice în care defecțiunea neprevăzută a încălzitorului poate cauza pierderi considerabile de producție, inginerii ar trebui să instaleze o sondă de monitorizare a coroziunii - un mic cupon 316 atașat electronic la mantaua încălzitorului. O creștere bruscă a curentului galvanic între sondă și un electrod de referință indică defalcarea timpurie a filmului pasiv și permite operatorului să reducă puterea sau să schimbe conținutul de acid pentru a evita deteriorarea tecii. Când specificați încălzitoare pentru serviciul cu acid sulfuric, menționați întotdeauna furnizorului concentrația în vrac și intervalul de temperatură în vrac așteptat și solicitați o temperatură calculată a suprafeței mantalei pentru densitatea în wați și grosimea peretelui sugerate. Dacă producătorul nu poate face acest calcul, nu le încredeți în aplicație. Diferența dintre funcționarea în siguranță și defecțiunea catastrofală a acidului sulfuric este uneori mai mică de 10 grade de temperatură a suprafeței învelișului, iar analiza termică precisă este importantă pentru specificațiile de încredere ale încălzitorului.