Care este diferența de-performanță pe termen lung între grosimea mantalei de 1,5 mm și 2,5 mm pentru încălzitoarele din oțel inoxidabil 316 în suspensie brută de acid fosforic 10% la 80 de grade cu cristale abrazive

Comerțul de bază-în serviciul producției de acid fosforic

Procesul umed-producția de acid fosforic produce o suspensie brută de acid fosforic 10% într-un amestec de cristale de sulfat de calciu semihidrat sau dihidrat, particule de rocă fosfat nereacționată și diferiți contaminanți metalici. Acesta este un mediu foarte agresiv din cauza combinației dintre un mediu ușor acid (pH 1-2) și particule solide care erodează învelișul pasiv pe oțelul inoxidabil 316. Încălzitoarele electrice cu imersie în concentratoarele de acid fosforic și rezervoarele de atac sunt supuse coroziunii chimice combinate și abraziunii mecanice. Decizia grosimii tecii , 1,5 mm față de 2,5 mm , este un calcul de performanță pe termen lung în care metalul suplimentar din peretele mai gros trebuie echilibrat cu implicațiile termice și mecanice ale rulării cu o secțiune transversală mai mare-. Spre deosebire de serviciul de lichid curat, unde singura grijă este coroziunea, această aplicație implică monitorizarea a două mecanisme de degradare care interacționează în campanii multianuale.

Eroziunea-Sinergismul coroziunii Dependența de grosime

Rata uniformă de coroziune a oțelului inoxidabil 316 în acid fosforic curat la 80 de grade este de aproximativ 0,1-0,3 mm/an, în funcție de cantitatea de impurități de fluor și clor din acidul brut. Prin adăugarea de cristale abrazive (cristale de sulfat de calciu hemihidrat) cu dimensiunea de obicei de 10-100 microni și cu o duritate Mohs de 2,5-3,0, mecanismul de degradare trece de la coroziune pură la coroziune prin eroziune-. Învelișul pasiv de protecție este îndepărtat continuu de particulele care se lovesc care expun metalul proaspăt la acid. Viteza de eroziune-coroziune nu este doar suma dintre viteza de eroziune pură și rata de coroziune pură. În schimb, are loc un efect sinergic, în care rata de coroziune a metalului de-pasivizat continuu este substanțial mai mare decât viteza de coroziune a unei suprafețe pasive stabile. Rezultatele publicate pentru oțel inoxidabil 316 în acid fosforic 10% cu particule de 5-10% la 80 de grade și o viteză a suspensiei de 1,5 m/s arată rate de eroziune-coroziune de 0,6-1,2 mm pe an, care sunt de trei până la șase ori viteza de coroziune pură . Timpul calculat până la perforare sub eroziune-coroziune continuă este de 1,3-2,5 ani pentru o grosime de perete de 1,5 mm. Pentru un perete de 2,5 mm, timpul calculat este de 2,1–4,2 ani. Cu toate acestea, aceste calcule presupun o rată constantă de eroziune-coroziune. În realitate, pe măsură ce peretele devine mai subțire, distribuția locală a tensiunilor la suprafață se modifică și rata de eroziune poate crește, deoarece un perete mai subțire se deviază mai mult la contactul cu particulele, ceea ce duce la tensiuni locale mai mari care fracturează suprafața mai ușor. Statisticile de performanță pe termen lung de la instalațiile de acid fosforic arată că rata de eroziune-coroziune crește în general cu 20-40% atunci când grosimea peretelui este mai mică de 1,0 mm. Deci, peretele de 2,5 mm începe cu mai mult metal și durează mai mult pentru a intra în acest regim de accelerație.

Rolul mecanic al grosimii pereților și energia de impact de cristal

Cristalele abrazive din suspensia brută de acid fosforic nu alunecă pur și simplu peste suprafață, ci o lovesc din diferite unghiuri, în funcție de modelul de curgere în jurul încălzitorului. În flux-încrucișat, particulele din suspensie lovesc marginea anterioară a unui tub de încălzire cilindric la unghiuri aproape normale (energie de impact mare, eroziune maximă) și părțile laterale la unghiuri de privire (eroziune mai mică). Energia de impact a unui cristal de sulfat de calciu care se mișcă la 1,5 m/s este de 0,5 până la 2 microjouli, în funcție de dimensiunea particulelor. Această energie este suficientă pentru a produce o micro-deformare plastică pe suprafața oțelului inoxidabil 316. Adâncimea stratului distorsionat plastic de la fiecare lovitură este în general de 1-5 microni. Îndepărtarea totală a materialului se realizează printr-un proces de oboseală cu un număr mare de impacturi: impacturile repetate produc întărirea prin muncă, inițierea ruperii și în final separarea pieselor metalice mici. Rata de îndepărtare a materialului este invers legată de duritatea metalului și depinde, de asemenea, de capacitatea materialului în vrac subiacent de a absorbi energia de impact fără a se sparge. Un perete mai gros duce la o fundație elastică mai mare sub suprafața impactată. Pentru oțelul inoxidabil 316, modulul de elasticitate este de 193 GPa, iar rigiditatea peretelui tubului la încovoiere este proporțională cu cubul de grosime pentru un diametru exterior dat. O grosime a peretelui de 2,5 mm are o rigiditate la încovoiere de aproximativ 4,6 ori mai mare decât o grosime a peretelui de 1,5 mm (2,5³/1,5³=4.6). Rigiditatea crescută scade deformarea dinamică la impactul particulelor și, prin urmare, reduce stresul de contact de vârf și rata de eroziune. Observațiile de teren în încălzitoarele de plante cu fosfor indică faptul că ratele de eroziune ale tuburilor de perete de 2,5 mm de pe marginea anterioară sunt adesea cu 20-30% mai mici decât tuburile de perete de 1,5 mm în aceleași condiții de șlam numai datorită influenței rigidității.

Penalizarea performanței termice a peretelui mai gros într-un serviciu de murdărie

Slamul brut de acid fosforic este bine cunoscut că poluează. Cristalele de sulfat de calciu tind să se acumuleze pe suprafețele fierbinți. Acest lucru determină formarea unei calame care izolează tubul și limitează transferul de căldură. Rata de dezvoltare a scalei depinde de temperatura suprafeței în raport cu curba de solubilitate a sulfatului de calciu. Când temperatura învelișului este peste 90-95 de grade , solubilitatea sulfatului de calciu hemihidrat scade și precipitarea acestuia este accelerată. Un încălzitor de perete de 1,5 mm cu o densitate în wați de 6 W/cm2 în acid în vrac de 80 de grade are o temperatură a suprafeței învelișului de aproximativ 95-100 de grade , la pragul de scalare accelerată. La aceeași densitate de wați, un perete de 2,5 mm duce la o temperatură a învelișului de 110-120C, bine în intervalul de scalare. Tubul de perete de 2,5 mm se va acumula-mai rapid și mai gros decât tubul de 1,5 mm. Odată ce stratul de scară este așezat, acesta adaugă propria rezistență termică, ceea ce împinge temperatura învelișului și mai mult într-un ciclu de auto--întărire. Grosimea peretelui echivalent de 4,0 mm a rezistenței termice efective a unui perete de 2,5 mm cu 0,5 mm de sol de sulfat de calciu. Această scară nu numai că inhibă transportul căldurii, dar produce și fisuri sub chimia acidului în vrac, care devin concentrate local și accelerează coroziunea. Astfel, diferența de performanță pe termen lung a celor două grosimi depinde în mod vital de capacitatea de a regla scara. Peretele de 2,5 mm își poate atinge durata de viață prelungită la eroziune-coroziune în plante utilizând curățarea mecanică (filare sau raclete) sau detartrare chimică. Peretele de 1,5 mm poate avea o performanță mai bună în plantele unde este permisă colectarea de sol. Temperatura mai scăzută a suprafeței întârzie formarea calcarului, iar atunci când se formează calcar, peretele de bază mai subțire menține un flux de căldură mai mare prin stratul combinat de perete plus scară.

Ciclul termic și tensiunile de expansiune diferențială

Concentratoarele de acid fosforic funcționează în cicluri discontinue sau cu alimentare intermitentă, iar încălzitorul este ciclat termic de la temperatura ambientală la 80 de grade și înapoi. Fiecare ciclu de încălzire provoacă tensiuni de dilatare diferențiate între firul de rezistență, izolația de oxid de magneziu și mantaua din oțel inoxidabil. Deoarece o secțiune mai groasă oferă mai multă rezistență la dilatarea și contracția termică, amplitudinea acestor tensiuni este proporțională cu grosimea tecii. Coeficientul de dilatare pentru oțelul inoxidabil 316 pentru o schimbare de temperatură de 80 de grade este de aproximativ 0,1% (16 × 10-6/grad x 80 de grade=0.00128). Pentru un tub cu diametrul exterior de 12 mm, această expansiune este de 0,015 mm. Un perete de 1,5 mm poate gestiona mai ușor expansiunea prin deformare elastică decât un perete de 2,5 mm. Peretele mai gros este supus unor presiuni ciclice mai mari la contactul dintre manta si izolatia de oxid de magneziu pe parcursul a mii de cicluri. Acest lucru poate duce la fisurarea izolației care scade rezistența dielectrică și, în final, duce la o defecțiune electrică. Datele de-performanță pe termen lung de la instalațiile cu fosfor indică faptul că încălzitoarele de perete de 2,5 mm au o rată mai mare de defecțiuni electrice (defectarea izolației) decât încălzitoarele de perete de 1,5 mm după 3-5 ani de funcționare, chiar și atunci când peretele de 2,5 mm mai are grosimea metalică corespunzătoare. Peretele mai gros sacrifică durata de viață la coroziune-eroziune pentru durata de viață la oboseală termică.

-Rezumat al comparației performanței pe termen lung

Metric de performanță 1,5 mm manta 2,5 mm manta
Viteza de eroziune{0}}coroziune cu nămol de 1,5 m/s 0,6-1,2 mm/an 0,5-0,9 mm/an (20-30% mai mică datorită rigidității)
Timp până la perforare (estimat) 1,3 până la 2,5 ani 2,8 până la 5,0 ani
Temperatura mantalei la 6 W/cm² 95-100 grade 110-120 grade
Rata de scalare (sulfat de calciu) Moderat (regim de prag) Ridicat (regim accelerat)
Durată de viață la oboseală termică (cicluri până la defectarea izolației) 4000-7000 cicluri 8000-12000 cicluri
Durata de viață tipică raportată pentru instalațiile cu fosfor este de 2-4 ani (limitată la scară) 3-5 ani (limitată la oboseală termică)
Cea mai bună utilizare Instalații cu capacitate de detartrare, operare în loturi Servicii în curs de desfășurare cu spațiu redus pentru scară
Strategii practice pentru extinderea pe parcursul vieții dincolo de selecția grosimii

Numai grosimea tecii nu va rezolva problema nămolului de acid fosforic. Au fost demonstrate trei soluții complementare pentru a prelungi durata de viață a încălzitorului dincolo de ceea ce ar fi prezis doar din grosime. 1. Gestionarea debitului: alinierea tuburilor de încălzire paralelă cu fluxul de șlam în loc de perpendiculară reduce unghiurile de impact și ratele de eroziune cu 40-60%. În al doilea rând, întărirea suprafeței: Nitrurarea sau borarea suprafeței oțelului inoxidabil 316 crește duritatea de la 200 HV la 800-1000 HV, reducând foarte mult ratele de eroziune fără a crește rezistența termică. Un tub de 1,5 mm cu o suprafață mai dura poate fi de două ori mai durabil decât un tub de 2,5 mm fără suprafață dură. În al treilea rând, gestionarea calcarului, cu temperatura acidului în vrac menținută sub 75 de grade sau utilizarea inhibitorilor de calcar, cum ar fi poliacrilații, menține suprafața învelișului sub pragul de precipitare a sulfatului de calciu, astfel încât este posibilă utilizarea unor pereți mai subțiri și mai eficienți termic. Unele fabrici au folosit încălzitoare de perete de 1,2 mm cu întărirea suprafeței și inhibare a calcarului timp de cinci sau mai mulți ani fără probleme, în timp ce încălzitoarele de perete de 2,5 mm netratate au eșuat din cauza supraîncălzirii induse de calcar.

Concluzie: Diferența de performanță explicată de condițiile de funcționare

Diferența de-performanță pe termen lung între 1,5 mm și 2,5 mm grosimea peretelui pentru încălzitoarele din oțel inoxidabil 316 în suspensie brută de acid fosforic 10% la 80 de grade nu este un avantaj simplu pentru peretele mai gros. Peretele de 2,5-mm oferă de 1,5 până la 2,0 ori durata de viață la eroziune-coroziune în serviciul continuu,-de detartrare scăzută, dar suferă de temperaturi mai mari ale suprafeței care măresc ratele de detartrare și de o durată de viață redusă la oboseală termică. 1.5mm peretele are performanțe termice superioare, oboseală redusă și rezervă de detartrare mai mică eroziune{18}}coroziune. Pentru majoritatea plantelor cu acid fosforic, grosimea optimă se află între aceste două extreme, în jur de 1,8-2,0 mm, cu întărirea suprafeței și controlul calității aplicate. Dacă o instalație cu un control bun al scalei și funcționare continuă este forțată să aleagă între cele două, peretele de 2,5 mm ar trebui să fie selectat pentru a maximiza durata de viață la eroziune-coroziune. Pentru instalațiile care funcționează în regim discontinuu, cu cicluri termice frecvente sau capacități limitate de detartrare, se va alege o grosime a peretelui de 1,5 mm pentru a evita depunerile de detartrare și oboseala termică. Nevoile de tratare a suprafeței și orientarea fluxului ar trebui să fie date în specificații, transformând o selecție simplă de grosime într-un design complet de încălzire pentru manipularea șlamului.