Untuk Memanaskan Campuran Asid Formik/Air Di Bawah Keadaan Bergelora, Bagaimanakah Diameter Tiub-kepada-Nisbah Dinding Mengubah Hakisan-Ketahanan Kakisan?

Campuran akueus asid formik (HCOOH) menjana persekitaran pengurangan yang mencabar kestabilan filem pasif titanium. Asid format tidak mendorong keadaan pengoksidaan untuk pasif semula spontan seperti asid nitrik atau air laut. Untuk kepekatan asid formik antara 10 dan 90% pada suhu tinggi (70–100 darjah ) titanium menggunakan kepingan oksida yang nipis dan tidak stabil. Apabila pergolakan disediakan oleh pengacauan mekanikal, pengedaran semula pam atau sparging gas, kesan gabungan serangan kimia dan ricih cecair mekanikal menghasilkan keadaan kakisan-hakisan. Tindak balas permukaan titanium terhadap serangan berganda ini sangat bergantung pada nisbah diameter ke dinding (D/t) tiub. D/t yang lebih kecil (dinding yang lebih tebal berbanding diameter) mengubah keadaan tegasan permukaan dan hidrodinamik aliran pada antara muka bendalir{10}}tiub, yang secara langsung mempengaruhi kadar penyingkiran bahan.

Hakisan-Mekanisme Kakisan dalam Asid Formik Tergelisah

Hakisan-kakisan adalah berbeza daripada kakisan tulen atau hakisan tulen; Dalam asid formik komponen kakisan secara berterusan menyerang filem pasif, manakala komponen pengadukan secara mekanikal menghilangkan sebahagian lapisan permukaan yang melindungi. Tegasan ricih adalah berkadar dengan kuasa dua kecerunan halaju tempatan dan disebabkan oleh halaju bendalir pada permukaan tiub. Untuk kadar aliran tertentu, halaju tempatan dan tegasan ricih adalah lebih tinggi dalam tiub dengan diameter yang lebih kecil (dan dengan itu nisbah D/t yang lebih rendah untuk ketebalan dinding yang sama). Walau bagaimanapun kesan yang mendominasi adalah disebabkan oleh regangan permukaan. Sebagai tindak balas kepada pergolakan, tiub bergetar pada frekuensi yang dikaitkan dengan kekakuan mereka. Ketegaran lentur tiub adalah berkadar dengan momen inersia, yang berbeza-beza sebagai (D4 - (D-2t)4). Nisbah D/t yang lebih kecil menghasilkan tiub yang lebih tegar yang menahan tekanan permukaan daripada getaran. Ketegangan yang berkurangan pada permukaan bermakna filem pasif kurang kerap pecah secara mekanikal dan oleh itu bahagian kakisan boleh menjadi lebih perlahan dan lebih seragam berbanding cepat dan dengan memecahkan filem itu.

Korelasi Kuantitatif Antara Kadar Penyingkiran Bahan dan Nisbah D/t

Ujian gelung terkawal dalam 50% asid formik pada 85 darjah , halaju aliran 2 m/s dan pengadukan daripada turbin Rushton (kelajuan hujung 3 m/s) telah menghasilkan hubungan berikut untuk titanium Gred 2:

Nisbah 8 D/t (cth. 20diameter mm, dinding 2.5mm): 0.08mm/thn kadar penyingkiran bahan. Nisbah dinding kepada diameter yang agak besar menghasilkan tiub kaku dengan frekuensi semula jadi lebih daripada 200 Hz, jauh melebihi frekuensi agitator biasa (20-50 Hz). Gangguan getaran filem minimum. Hakisan-karat mempunyai taburan homogen dan boleh diramal.

Nisbah D/t 15 (cth. 24 mm dia, dinding 1.6 mm): Kadar penyingkiran bahan: 0.22 mm/th. Kekakuan tiub berkurangan kira-kira 60% berbanding D/t=8. Pada frekuensi hantaran bilah pengaduk, getaran resonans berlaku. Gangguan setempat bagi filem pada sokongan tiub dan pertengahan-span meningkatkan kadar penyingkiran dengan faktor 2.7.

Nisbah D/t 25 ( cth. 25 diameter mm, dinding 1.0 mm): 0.55 mm/tahun kadar penyingkiran bahan. Kekakuan tiub berkurangan ~85% berbanding D/t=8. Getaran yang berlebihan menyebabkan keresahan di tapak sentuhan. Kadar penyingkiran menjadi sangat setempat dengan serangan dipertingkatkan pada titik amplitud anjakan yang lebih besar.

Nisbah D/t 33 (cth. 33 diameter mm, dinding 1.0 mm): Kadar penyingkiran bahan > 1.0 mm/tahun. Tiub akan mengalami aliran-getaran teraruh tanpa mengira reka bentuk pengaduk. Tidak dicadangkan untuk digunakan dengan formika gelisah.

Panduan Pemilihan Nisbah Diameter ke Dinding mengikut Aplikasi

Rangka kerja keputusan untuk pilihan nisbah D/t terbaik sebagai fungsi keamatan pengadukan dan kepekatan asid formik ditunjukkan dalam jadual di bawah.

Keadaan Pergolakan & Kepekatan Asid Formik Disyorkan Nisbah D/t Rasional Teras & Hakisan-Pengubahsuaian Kakisan
turbin perlahan,<1 m/s tip speed, mild agitation, 10–30% formic acid, 70°C 20–25 (e.g., 25 mm × 1.0 mm)Lower acid content results in lower corrosion rate. Thin wall, vibration regulated with additional supports every 500 mm. Reduced material cost.
Pergolakan sederhana (kelajuan hujung 2 m/s, tangki kacau), 30–60% asid formik, 85 darjah 12 hingga 18 (cth, 22 mm × 1.5 mm atau 30 mm × 2.0 mm) Berkompromi antara pemindahan haba (diutamakan dinding nipis) dan ketegaran (diutamakan dinding yang lebih tebal). Susunan pemanas industri tipikal.
Pergolakan teruk (pengadun ricih-tinggi, sparging gas), 60-90% asid formik, 100 darjah 8-12 (cth. 25 mm x 2.5 mm atau 20 mm x 2.0 mm) Rintangan kakisan hakisan maksimum dikehendaki. Terima pemindahan haba yang lebih rendah (dinding yang lebih tebal meningkatkan rintangan haba) Caj tambahan untuk bahan titanium.
Asid formik yang digoncang, kristal terampai (keadaan melelas) 6–10 (cth, 20 mm×2.5 mm atau 18 mm×2.0 mm) Nisbah D/t diminimumkan untuk kekakuan maksimum. Ketebalan dinding juga menyediakan elaun lelasan. Lengan haus yang boleh diganti adalah dinasihatkan.
Kejuruteraan Nisbah Diameter Luar kepada Dinding

Nisbah D/t tidak bebas daripada konfigurasi sokongan tiub. Sokongan perantaraan yang diasingkan pada selang tidak lebih daripada 20 diameter tiub meminimumkan amplitud getaran dengan faktor 70 hingga 80 peratus untuk sebarang nisbah D/t yang lebih besar daripada 15. Perkara bahan sokongan: Sisipan PTFE atau PEEK mengelakkan kakisan galvanik dan meminimumkan keresahan berbanding penyokong logam. Profil kepekatan asid formik juga mengubah mekanisme hakisan-hakisan. Di bawah 20% asid formik, penyelesaiannya kurang mengurangkan dan kestabilan filem pasif meningkat, membenarkan nisbah D/t yang lebih besar. Melebihi 80% asid formik pada 100 darjah, kadar kakisan seragam meningkat tanpa mengira pergolakan dan nisbah D/t mesti diturunkan untuk memberikan elaun ketebalan dinding untuk penipisan umum dan bukannya untuk kawalan getaran. Rizab bahan untuk hayat perkhidmatan yang panjang ialah nilai mutlak ketebalan dinding (bukan sekadar nisbah). Tiub dinding 2.0 mm (diameter 40 mm) dengan D/t=20 mempunyai toleransi hakisan yang jauh lebih tinggi daripada tiub dinding 1.5 mm (diameter 22.5 mm) dengan D/t=15.

Spesifikasi Termaklum

Apabila memilih pemanas titanium untuk gabungan asid formik/air dalam keadaan bergolak, tentukan pengadukan dari segi kelajuan hujung agitator (m/s) dan kekeliruan tangki untuk menentukan keamatan pengadukan. Pada kelajuan hujung kurang daripada 1.5 m/s, reka bentuk pemanas biasa D/t 15-20 boleh sesuai dengan sokongan yang dijarakkan dengan betul. Untuk kelajuan hujung melebihi 2.5 m/s, nyatakan nisbah D/t tidak melebihi 12. Minta pembekal mengira frekuensi semula jadi bagi geometri tiub dan jarak sokongan yang dicadangkan. Tandatangan getaran, sebarang perubahan amplitud pada frekuensi tertentu semasa operasi mungkin menunjukkan pelonggaran sokongan atau perubahan kepekatan asid formik, yang menjejaskan ketumpatan bendalir . Pemilihan nisbah diameter-ke-dinding sebagai parameter reka bentuk memberikan jurutera kawalan terus ke atas kadar hakisan-hakisan dalam salah satu aplikasi pemanasan yang paling menuntut secara mekanikal untuk peralatan titanium.