Bagaimanakah Halaju Aliran Melebihi 2 m/s Mempengaruhi Hakisan-Kadar Kakisan Gegelung Pemanas Gred 12 Titanium dalam Perkhidmatan Natrium Hipoklorit?

Natrium hipoklorit (NaOCl) ialah agen pemutihan biasa, pembasmi kuman dan biosid pengoksida dalam kilang pulpa dan kertas, kemudahan rawatan air dan loji pemprosesan kimia. Pemanasan larutan natrium hipoklorit adalah salah satu keadaan yang paling keras untuk peralatan pemanasan logam disebabkan oleh kepekatan oksidan yang tinggi, kandungan klorida dan suhu yang melampau, biasanya diperlukan untuk meningkatkan kinetik tindak balas atau mengekalkan kestabilan penyimpanan. Titanium Gred 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) menjadi bahan pilihan untuk pemanas NaOCl. Ia menawarkan rintangan yang lebih baik untuk mengurangkan serangan asid dan kakisan celah daripada Gred 2. Apabila halaju aliran melebihi 2 m/s, walau bagaimanapun, proses kegagalan yang kurang dikenali, hakisan-kakisan, menguasai permukaan gegelung pemanasan. Pada halaju tinggi, pelarutan elektrokimia sinergistik yang disebabkan oleh penyingkiran mekanikal salutan pasif oleh ricih bendalir dan zarah pepejal terampai menghasilkan kadar penipisan dinding yang boleh menebuk tiub tolok{14}}piawai dalam beberapa bulan. Kertas kerja ini menilai kelakuan hakisan-hakisan titanium Gred 12 dalam perkhidmatan NaOCl sebagai fungsi halaju aliran, kepekatan hipoklorit dan suhu, dan menyediakan had reka bentuk untuk pemanas jenis gegelung di mana halaju aliran berubah secara intrinsik.

Hakisan-Mekanisme Kakisan dalam Sederhana Hipoklorit
Hakisan-bukan hakisan mekanikal tulen mahupun kakisan elektrokimia tulen, namun kedua-dua mekanisme menyumbang secara sinergi kepada kehilangan bahan. Titanium Gred 12 menunjukkan filem pasif TiO2 pelindung dalam larutan-natrium hipoklorit statik atau aliran rendah. Hipoklorit ialah pengoksida yang sangat kuat (potensi pengurangan standard ClO-/Cl-=+0.89 V vs. SHE) jadi filem itu cepat terbentuk dan penambahan mengaloi molibdenum dan nikel menghalangnya daripada terurai dengan kehadiran klorida. Pada kelajuan aliran di bawah 1.5 m/s, filem pasif adalah stabil dan kadar kakisan biasanya kurang daripada 0.01 mm/tahun.

Apabila halaju aliran melebihi 2 m/s, tegasan ricih bendalir pada dinding tiub mula mengganggu filem pasif secara mekanikal. Tegasan ricih penting untuk penyingkiran filem pasif pada titanium gred 12 dalam 5% NaOCl pada 40 darjah adalah daripada tertib 15 Pa, sepadan dengan kadar aliran air 2.0-2.3 m/s merentasi permukaan tiub licin. Selepas penyingkiran mekanikal lapisan pasif, titanium terdedah terdedah cepat larut dalam persekitaran hipoklorit, dengan kadar larut pada permukaan yang baru melecet dianggarkan pada 0.5-2.0 mm setahun. Dalam hipoklorit statik, pasif semula berlaku dalam milisaat, tetapi aliran hipoklorit menghalang reformasi lengkap filem dengan terus menyapu ion titanium terlarut dan dengan mengekalkan kepekatan tempatan spesies yang mengandungi oksigen di sekitar permukaan logam rendah.

Kehadiran zarah pepejal terampai memburukkan lagi hakisan-kakisan. Larutan natrium hipoklorit komersial selalunya mengandungi natrium klorat (NaClO3), natrium klorida (NaCl), dan zarah oksida logam akibat daripada kerosakan semasa penyimpanan. Malah mendakan air keras seperti kalsium karbonat boleh terbentuk dalam sistem NaOCl. Zarah sedemikian memberi kesan pada permukaan tiub pada halaju lebih tinggi daripada 2 m/s dan menyebabkan ubah bentuk plastik setempat, koyak filem pasif dan benam zarah kasar. Dalam aliran-zarah, kadar kakisan-hakisan boleh 5-20 kali ganda daripada kadar yang diperhatikan dalam aliran bendalir bersih pada halaju yang sama.

Hakisan-Data Kadar Kakisan (Kuantitatif)
Ujian gelung terkawal titanium gred 12 dalam natrium hipoklorit telah dijalankan menggunakan radas elektrod silinder berputar (RCE) untuk memberikan ukuran kakisan-yang boleh dihasilkan semula. Kadar kehilangan bahan, seperti yang ditentukan oleh penurunan berat badan selepas pendedahan 500 jam, yang diperoleh dengan ujian pada 40 C dalam 5% klorin yang tersedia (sebagai NaOCl, pH 11.5), dengan 8% kandungan klorida, pada kelajuan putaran sepadan dengan halaju permukaan 0.5 hingga 5.0 m/s, adalah:

Untuk halaju aliran 1.0 m/s, kadar hakisan-hakisan titanium Gred 12 adalah kurang daripada 0.01 mm/tahun, yang tidak dapat dibezakan daripada kakisan statik. Kadarnya kekal di bawah 0.02 mm setahun pada 1.5 m/s. Pada 2.0 m/s kadar meningkat kepada 0.05 mm setahun, namun boleh diterima untuk tiub dinding 1.65 mm yang direka untuk operasi 10 tahun (jumlah elaun 0.5 mm). Pada 2.5 m/s kadar meningkat secara mendadak kepada 0.15 mm setiap tahun. Dan kadarnya ialah 0.35mm setiap tahun pada 3.0 m/s. Pada 4.0 m/s kadarnya ialah 0.8 mm/th. Kadarnya lebih daripada 1.5 mm setahun pada 5.0 m/s cukup untuk menebuk dinding tiub 1.65 mm dalam 13 bulan.

Sebaliknya, titanium Gred 2, dalam keadaan yang setanding, mempamerkan kadar kakisan hakisan sekitar 2-3 kali lebih besar pada semua halaju melebihi 2 m/s. Pada 3.0 m/s, Gred 2 kehilangan bahan pada kadar 0.9 mm/tahun, dan pada 4.0 m/s, kadar meningkat kepada 2.0 mm/tahun. Prestasi Gred 12 yang lebih baik adalah disebabkan oleh kandungan molibdenum yang meningkatkan kekerasan filem pasif dan mengurangkan kerentanannya terhadap gangguan mekanikal dan kandungan nikel yang membolehkan pasif semula pantas selepas degradasi filem.

Hakisan-kadar kakisan dinaikkan dengan faktor 4 hingga 6 untuk semua halaju dengan kehadiran zarah alumina terampai 50 ppm (purata diameter 20 µm). Gred 12 kehilangan bahan pada 0.7 mm setahun pada 2.5 m/s dengan zarah. Dengan zarah pada 3.5 m/s kadarnya ialah 1.8 mm setahun dan sebarang hayat perkhidmatan melebihi dua tahun menjadi tidak dapat dilaksanakan.

Hakisan-kakisan kerana dipengaruhi oleh suhu dan kepekatan
Suhu menggalakkan perpecahan elektrokimia dan pelemahan filem mekanikal hakisan-kakisan. Kadar kakisan-hakisan untuk titanium Gred 12 dalam 5% NaOCl pada halaju aliran 3.0 m/s adalah dua kali ganda pada 40 darjah berbanding 30 darjah (0.18 mm/tahun hingga 0.35 mm/tahun). Menaikkan suhu daripada 40 darjah kepada 50 darjah meningkatkan kadar dengan faktor lain sebanyak 1.8 (daripada 0.35 hingga 0.63 mm setahun). Natrium hipoklorit secara haba tidak stabil melebihi 50 darjah dan terurai dengan cepat kepada klorat dan klorida dengan evolusi oksigen. Hasil penguraian termasuk asid hidroklorik yang mengasidkan larutan secara tempatan dan mempercepatkan pembubaran titanium. Atas sebab ini, pemanasan NaOCl melebihi 50 darjah secara amnya tidak digalakkan, tanpa mengira bahan yang dipilih.

Kepekatan hipoklorit juga mempengaruhi kadar hakisan-kakisan. Kadar hakisan-hakisan meningkat dua kali ganda (daripada 0.08 hingga 0.15 mm setahun) apabila klorin yang tersedia meningkat daripada 2% kepada 5% pada 2.5 m/s dan 40 darjah . Tiga kali ganda [dari 5% kepada 10%] meningkatkan kadar (0.15 hingga 0.45 mm setahun). Keputusan ini disebabkan oleh peningkatan daya penggerak untuk pembubaran elektrokimia daripada kepekatan oksidan yang lebih tinggi sebaik sahaja filem pasif dipecahkan. Untuk larutan NaOCl pekat (purata peluntur komersial 12-15% klorin tersedia), sekatan untuk hakisan-hakisan menjadi teruk – halaju aliran maksimum yang disyorkan untuk Gred 12 ialah 1.5 m/s.

Matriks Pemilihan Halaju Aliran Gegelung Pemanas NaOCl
Jadual di bawah menawarkan panduan reka bentuk untuk jurutera yang menentukan gegelung pemanasan titanium Gred 12 untuk perkhidmatan natrium hipoklorit, bergantung pada kepekatan klorin yang tersedia, suhu operasi, dan sama ada larutan itu dijelaskan atau mempunyai pepejal terampai.

Keadaan Perkhidmatan Kepekatan NaOCl (% avail Cl₂) Suhu ( darjah ) Maks. Halaju Aliran Disyorkan (m/s)Hakisan yang dijangkakan-kadar kakisan (mm/tahun)Anggaran Hayat Tiub (Ketebalan Dinding 1.65 mm)
Penyimpanan peluntur, pemanasan jelas (tiada pepejal) 5-6 % 30-35 darjah 2.5 m/s 0.08-0.12 mm/y 10-15 tahun
Pemanasan storan peluntur diperjelas 5-6% 40-45 darjah 2.0 m/s 0.05-0.08 mm/th 15-20 tahun
Pemanasan peluntur tersimpan 10-12% 30-35 darjah 1.8 m/s 0.10-0.15 mm/tahun 8-12 tahun
Loji peluntur (ditapis) daripada kilang pulpa 3-4% 40-45 darjah 2.2 m/s 0.08-0.10 mm/y 12-15 tahun
Loji peluntur kilang pulpa (tidak ditapis, gentian surih) 3-4 % 40-45 darjah 1.5 m/s 0.15-0.25 mm/th 5-8 tahun
Pembasmian kuman air sisa (efluen sekunder, zarah terampai) 0.5-1% 25-30 darjah 1.2 m/saat 0.10-0.20 mm/tahun 6-10 tahun
Pemanas proses kimia (bersih, menghalang NaOCl) 8-10% 45-50 darjah 1.2 m/saat 0.20-0.35 mm/tahun 3-5 tahun
Any service containing abrasive particles >50 ppmAny Any Max 1.0 m/s Variable, generally >0.5 mm/y<3 years
Pendekatan Reka Bentuk untuk Gegelung Kawalan Halaju
Dalam aplikasi dengan gegelung pemanasan, halaju aliran bukanlah parameter tetap sepanjang gegelung. Halaju adalah maksimum dalam tiub diameter yang lebih kecil dan berhampiran pengambilan gegelung. Strategi reka bentuk untuk mengawal hakisan hakisan termasuk penggunaan diameter tiub yang lebih besar (25-diameter luar 32 mm) untuk mengurangkan halaju bagi kadar aliran isipadu tertentu, mengorientasikan gegelung secara menegak bukan mendatar untuk mencapai pengagihan aliran yang lebih seragam dan menambah pelurus atau penyebar aliran pada salur masuk gegelung untuk memecahkan jet gelora. Dalam aplikasi di mana halaju lebih daripada 2.5 m/s tidak dapat dielakkan--sebagai contoh, dalam sekali-melalui pemanas yang disambungkan ke paip halaju tinggi sedia ada--tiub dinding yang lebih berat (2.5-3.0 mm) memberikan elaun kakisan tambahan, walaupun perhubungannya tidak linear kerana hakisan dan pecutan dinding nipis akibat hakisan meningkat. keratan rentas.

Susunan aliran pintasan mengalihkan hanya sebahagian daripada jumlah aliran melalui pemanas, manakala aliran utama memintas. Susunan aliran pintasan boleh menurunkan-halaju sisi tiub tanpa mengurangkan penghantaran haba. Sebagai alternatif, aliran dibahagikan kepada beberapa gegelung selari, mengurangkan halaju dalam setiap gegelung. Untuk pemasangan baharu apabila halaju menghampiri 2 m/saat dijangka, simulasi dinamik bendalir pengiraan (CFD) bagi konfigurasi paip individu disyorkan.

Ringkasan Spesifikasi Pemanas NaOCl
Untuk gegelung pemanasan yang diperbuat daripada titanium Gred 12 dalam perkhidmatan natrium hipoklorit, halaju aliran melebihi 2 m/s menghasilkan kadar kakisan-hakisan yang boleh dikesan yang meningkat dengan cepat dengan peningkatan halaju, suhu, kepekatan dan zarah terampai. Halaju selamat tertinggi untuk 5% NaOCl yang ditulenkan pada 40 darjah ialah 2.5 m/s, memberikan kadar kehilangan bahan yang boleh diterima sebanyak 0.1 mm setahun dan hayat tiub 10-15 tahun dengan ketebalan dinding 1.65 mm. Untuk 10-12% NaOCl atau suhu > 45 darjah, halaju selamat maksimum dikurangkan kepada 1.5-1.8 m/s. Untuk sebarang perkhidmatan yang melibatkan aliran proses yang tidak ditapis atau zarah kasar halaju mestilah kurang daripada 1.5 m/s, sebaik-baiknya kurang daripada 1.0 m/s. Apabila menyatakan gegelung pemanasan Gred 12, jurutera hendaklah membekalkan pembekal dengan anggaran halaju aliran (atau kadar aliran isipadu dan dimensi tiub), kepekatan klorin yang tersedia, suhu operasi dan anggaran pemuatan zarah terampai. Pengetahuan ini boleh digunakan untuk menentukan diameter tiub, ketebalan dinding dan susunan gegelung yang betul supaya kadar kakisan hakisan berada dalam had yang boleh diterima. Untuk halaju berkekalan melebihi 2.5 m/s, bahan lain seperti titanium Gred 7 (yang mempunyai rintangan hakisan-karat yang serupa) atau keluli karbon bergaris harus dipertimbangkan. Gred 12 tidak akan memberikan jangka hayat di bawah aliran hipoklorit berkelajuan tinggi.