Која је дугорочна{0}}разлика у перформансама између 1,5 мм и 2,5 мм дебљине омотача за 316 грејача од нерђајућег челика у 10% сировој суспензији фосфорне киселине на 80 степени са абразивним кристалима

Основна{0}}замена у услузи производње фосфорне киселине

Мокри{0}}производња фосфорне киселине производи сирову суспензију од 10% фосфорне киселине у мешавини кристала калцијум-сулфата хемихидрата или дихидрата, неизреагованих честица фосфатне стене и различитих металних загађивача. Ово је веома агресивно окружење због комбинације благо киселог медијума (пХ 1-2) и чврстих честица које еродирају пасивни премаз на нерђајућем челику 316. Електрични урањајући грејачи у концентраторима фосфорне киселине и нападним резервоарима су подвргнути комбинованој хемијској корозији и механичком хабању. Одлука о дебљини омотача, 1,5 мм наспрам 2,5 мм, је дугорочна калкулација перформанси где додатни метал у дебљем зиду треба да буде избалансиран у односу на термичке и механичке импликације рада са већим попречним пресеком-. За разлику од чисте течне услуге где је једина брига корозија, ова апликација укључује праћење два механизма деградације који међусобно делују током вишегодишњих кампања.

Ерозија-Зависност синергизма корозије од дебљине

Уједначена стопа корозије нерђајућег челика 316 у чистој фосфорној киселини на 80 степени је око 0,1-0,3 мм/годишње у зависности од количине нечистоћа флуорида и хлорида у сировој киселини. Додавањем абразивних кристала (кристали калцијум-сулфата хемихидрата) типично величине 10-100 микрона и са Мохсовом тврдоћом од 2,5-3,0, механизам деградације прелази са чисте корозије на ерозиону-корозију. Заштитни пасивни премаз се континуирано уклања честицама које нападају излажући свеж метал киселини. Стопа ерозије{21}}корозије није само збир стопе чисте ерозије и чисте стопе корозије. Уместо тога, долази до синергијског ефекта, где је брзина корозије континуирано де-пасивираног метала знатно већа од брзине корозије стабилне пасивне површине. Објављени резултати за нерђајући челик 316 у 10% фосфорној киселини са 5-10% честица на 80 степени и брзином суспензије од 1,5 м/с показују стопе ерозије-корозије од 0,6-1,2 мм годишње, што је три до шест пута већа стопа чисте корозије. Израчунато време до перфорације у условима континуиране ерозије-корозије је 1,3-2,5 године за дебљину зида од 1,5 мм. За зид од 2,5 мм, израчунато време је 2,1–4,2 године. Међутим, ови прорачуни претпостављају константну стопу ерозије-корозије. У ствари, како зид постаје тањи, локална дистрибуција напрезања на површини се мења и брзина ерозије може да се повећа јер се тањи зид више скреће при контакту честица, што доводи до већих локалних напона који лакше ломе површину. Дугорочне статистике о перформансама постројења за производњу фосфорне киселине показују да се стопа ерозије-корозије генерално повећава за 20-40% када је дебљина зида мања од 1,0 мм. Дакле, зид од 2,5 мм почиње са више метала и потребно му је више времена да уђе у овај режим убрзања.

Механичка улога дебљине зидова и енергије удара кристала

Абразивни кристали у каши сирове фосфорне киселине не клизе једноставно по површини већ је ударају из различитих углова у зависности од обрасца струјања око грејача. У попречном-току, честице у каши ударају у предњу ивицу цилиндричне грејне цеви под скоро нормалним угловима (велика енергија удара, највећа ерозија) и на бочне стране под угловима гледања (нижа ерозија). Енергија удара кристала калцијум сулфата који се креће брзином од 1,5 м/с је 0,5 до 2 микроџула у зависности од величине честица. Ова енергија је довољна да произведе микро{7}}пластичну деформацију на површини нерђајућег челика 316. Дубина пластично изобличеног слоја од сваког ударца је углавном 1-5 микрона. Потпуно уклањање материјала постиже се процесом замора са великим бројем удараца: поновљени удари доводе до радног очвршћавања, иницирања лома и коначно одвајања малих металних комада. Брзина уклањања материјала је обрнуто повезана са тврдоћом метала и такође зависи од капацитета основног материјала да апсорбује енергију удара без разбијања. Дебљи зид доводи до веће еластичне основе испод ударене површине. За нерђајући челик 316, модул еластичности је 193 ГПа, а крутост зида цеви при савијању је пропорционална коцки дебљине за дати спољни пречник. Дебљина зида од 2,5 мм има крутост на савијање око 4,6 пута већу од дебљине зида од 1,5 мм (2,5³/1,5³=4.6). Повећана крутост смањује динамичко скретање при удару честица, а самим тим смањује вршни контактни напон и брзину ерозије. Посматрања на терену у фосфорним грејачима показују да су стопе ерозије зидних цеви од 2,5 мм на предњој ивици често 20-30% мање од зидних цеви од 1,5 мм под истим условима суспензије искључиво због утицаја крутости.

Смањење топлотних перформанси дебљег зида у сервису забрављивања

Познато је да сирова суспензија фосфорне киселине загађује. Кристали калцијум сулфата имају тенденцију да се акумулирају на врућим површинама. Ово узрокује стварање каменца који изолује цев и ограничава пренос топлоте. Брзина развоја каменца зависи од температуре површине у односу на криву растворљивости калцијум сулфата. Када је температура омотача преко 90-95 степени, растворљивост хемихидрата калцијум сулфата опада и његово таложење се убрзава. Зидни грејач од 1,5 мм са густином вати од 6 В/цм2 у масној киселини од 80 степени има температуру површине омотача од око 95-100 степени, на прагу за убрзано скалирање. При истој густини у ватима, зид од 2,5 мм доводи до температуре омотача од 110-120Ц, што је знатно у опсегу скалирања. Зидна цев од 2,5 мм ће се-нагомилати брже и дебља од цеви од 1,5 мм. Када је слој каменца на месту, он додаје сопствену топлотну отпорност, што повећава температуру омотача још више у циклусу самопојачавања. Еквивалентна дебљина зида од 4,0 мм ефективне топлотне отпорности зида од 2,5 мм са 0,5 мм скале калцијум-сулфата. Ова скала не само да инхибира транспорт топлоте, већ и ствара пукотине испод хемије киселине које се локално концентришу и убрзавају корозију. Дакле, разлика у дугорочним перформансама ове две дебљине битно зависи од могућности подешавања скале. Зид од 2,5 мм може да постигне свој продужени век трајања од ерозије и корозије у постројењима коришћењем механичког чишћења (спиннери или стругачи) или хемијског уклањања каменца. Зид од 1,5 мм заправо може бити бољи у постројењима у којима је дозвољено да се сакупља каменац. Нижа површинска температура одлаже формирање каменца, а када се формира каменац, тањи основни зид одржава већи топлотни ток кроз комбиновани слој зид плус скала.

Термички циклус и диференцијална напрезања експанзије

Концентратори фосфорне киселине раде у циклусима серије или са повременим доводом, а грејач се термички мења од амбијенталног до 80 степени и назад. Сваки циклус грејања изазива различите напетости експанзије између отпорне жице, изолације од магнезијум оксида и омотача од нерђајућег челика. Пошто дебљи пресек даје већу отпорност на термичко ширење и контракцију, амплитуда ових напона је пропорционална дебљини омотача. Коефицијент експанзије за нерђајући челик 316 за температурни помак од 80 степени је отприлике 0,1% (16 × 10-6/ степен к 80 степени=0.00128). За цев спољашњег пречника 12 мм ово проширење је 0,015 мм. Зид од 1,5 мм може лакше поднети експанзију еластичном деформацијом него зид од 2,5 мм. Дебљи зид је изложен већим цикличним притисцима на контакту између омотача и изолације од магнезијум оксида током хиљада циклуса. Ово може довести до пуцања изолације што смањује диелектричну чврстоћу и на крају доводи до електричног квара. Дугорочни-подаци о перформансама из фосфорних постројења показују да зидни грејачи од 2,5 мм имају већу стопу електричног квара (квара изолације) од зидних грејача од 1,5 мм након 3-5 година рада, чак и када зид од 2,5 мм још увек има одговарајућу преосталу дебљину метала. Дебљи зид жртвује век трајања од корозије и ерозије за век трајања топлотног замора.

Дугорочно{0}}Апстракт поређења учинка

Перформансе Метрички омотач од 1,5 мм Плашт од 2,5 мм
Ерозија{0}}брзина корозије са муљом од 1,5 м/с 0,6-1,2 мм/годишње 0,5-0,9 мм/годишње (20-30% нижа због крутости)
Време до перфорације (процењено) 1,3 до 2,5 године 2,8 до 5,0 година
Температура омотача 6 В/цм² 95-100 степени 110-120 степени
Стопа скалирања (калцијум сулфат) Умерена (режим прага) Висока (убрзани режим)
Век трајања топлотног замора (циклуси до квара изолације) 4000-7000 циклуса 8000-12000 циклуса
Уобичајени животни век пријављен за фосфорна постројења је 2-4 године (ограничена скала) 3-5 година (ограничен термички замор)
Постројења за најбољу употребу са могућношћу уклањања каменца, серијски рад. Стални сервис са мало простора за размер
Практичне стратегије за продужење века трајања ван избора дебљине

Сама дебљина омотача неће решити проблем суспензије фосфорне киселине. Три комплементарна решења су показала да продужавају век трајања грејача изнад онога што би се могло предвидети само на основу дебљине. 1. Управљање протоком: поравнавање цеви грејача паралелно са протоком суспензије уместо окомито смањује углове удара и стопе ерозије за 40-60%. Друго, површинско очвршћавање: Нитрирање или боронизација површине нерђајућег челика 316 подиже тврдоћу са 200 ХВ на 800-1000 ХВ, значајно смањујући стопе ерозије без повећања термичке отпорности. Цев од 1,5 мм са тврђом површином може бити двоструко издржљивија од цеви од 2,5 мм без чврсте површине. Треће, управљање каменцем, са температуром масе киселине која се одржава испод 75 степени или употребом инхибитора каменца као што су полиакрилати, одржава површину омотача испод прага таложења калцијум-сулфата тако да је могућа употреба тањих, термички ефикаснијих зидова. Нека постројења су користила зидне грејаче од 1,2 мм са површинским очвршћавањем и инхибицијом каменца пет или више година без проблема, док су необрађени зидни грејачи од 2,5 мм отказали због прегревања изазваног каменцем.

Закључак: Разлика у перформансама објашњена оперативним условима

Дугорочна{0}}разлика у перформансама између 1,5 мм и 2,5 мм дебљине зида за 316 грејача од нерђајућег челика у сировој суспензији од 10% фосфорне киселине на 80 степени није једноставна предност за дебљи зид. Зид од 2,5-мм даје 1,5 до 2,0 пута дужи век ерозион-корозионог века у непрекидној, ниској-служби за љуштење, али пати од виших површинских температура које повећавају стопу скалирања и од смањеног века термичког замора. 1.5мм зид има супериорне термичке перформансе, смањени век трајања, смањену склоност замору метала према топлоти ерозија-корозија. За већину постројења за производњу фосфорне киселине, оптимална дебљина је између ова два екстрема, око 1,8-2,0 мм, са примењеним површинским очвршћавањем и контролом каменца. Ако је постројење са добром контролом скале и континуираним радом принуђено да бира између два, треба изабрати зид од 2,5 мм како би се максимизирао век трајања ерозије и корозије. За постројења која раде у серијском режиму, са честим термичким циклусима или ограниченом могућношћу уклањања каменца, дебљина зида од 1,5 мм ће бити изабрана да би се избегли кварови на каменцу и термички замор. Потребе за површинским третманом и оријентација протока треба да буду дати у спецификацији, претварајући једноставан избор дебљине у потпуни дизајн грејача за руковање суспензијом.