Apakah Perbezaan Prestasi Jangka Panjang-Antara 1.5 mm dan 2.5 mm Ketebalan Sarung untuk Pemanas Keluli Tahan Karat 316 dalam Buburan Mentah Asid Fosforik 10% pada 80 darjah dengan Kristal Lelas

Pertukaran Asas-dalam Perkhidmatan Pengeluaran Asid Fosforik

Proses-basah pengeluaran asid fosforik menghasilkan buburan mentah 10% asid fosforik dalam campuran kalsium sulfat hemihidrat atau hablur dihidrat, zarah batu fosfat tidak bertindak balas dan bahan cemar logam yang berbeza. Ini adalah persekitaran yang sangat agresif kerana gabungan medium berasid sedikit (pH 1-2) dan zarah pepejal yang menghakis salutan pasif pada keluli tahan karat 316. Pemanas rendaman elektrik dalam penumpu asid fosforik dan tangki serangan tertakluk kepada gabungan kakisan kimia dan lelasan mekanikal. Keputusan ketebalan sarung , 1.5 mm berbanding 2.5 mm , ialah pengiraan prestasi jangka panjang di mana logam tambahan dalam dinding yang lebih tebal perlu diseimbangkan dengan implikasi terma dan mekanikal berjalan dengan keratan rentas-yang lebih besar. Tidak seperti perkhidmatan cecair bersih di mana satu-satunya kebimbangan adalah kakisan, aplikasi ini melibatkan pemantauan dua mekanisme degradasi yang berinteraksi merentas kempen berbilang tahun.

Hakisan-Ketergantungan Sinergisme Kakisan pada Ketebalan

Kadar kakisan seragam keluli tahan karat 316 dalam asid fosforik bersih pada 80 darjah adalah kira-kira 0.1-0.3 mm/tahun bergantung kepada kuantiti kekotoran fluorida dan klorida dalam asid mentah. Dengan menambahkan kristal yang melelas (hablur kalsium sulfat hemihidrat) biasanya bersaiz 10-100 mikron dan dengan kekerasan Mohs 2.5-3.0, mekanisme degradasi bertukar daripada kakisan tulen kepada hakisan{18}}kakisan. Salutan pasif pelindung disingkirkan secara berterusan oleh zarah-zarah yang terkena yang mendedahkan logam segar kepada asid. Kadar kakisan-hakisan bukan sekadar jumlah kadar hakisan tulen dan kadar kakisan tulen. Sebaliknya, kesan sinergik berlaku, di mana kadar kakisan logam terpasif-yang berterusan adalah jauh lebih besar daripada kadar kakisan permukaan pasif yang stabil. Hasil yang diterbitkan untuk keluli tahan karat 316 dalam asid fosforik 10% dengan 5-10% zarah pada 80 darjah dan halaju buburan 1.5 m/s menunjukkan kadar hakisan hakisan 0.6-1.2 mm setahun, iaitu tiga hingga enam kali ganda kadar kakisan tulen . Masa yang dikira untuk penembusan di bawah hakisan-hakisan berterusan ialah 1.3-2.5 tahun untuk ketebalan dinding 1.5 mm. Untuk dinding 2.5 mm, masa yang dikira ialah 2.1–4.2 tahun. Walau bagaimanapun pengiraan ini menganggap kadar hakisan-hakisan yang berterusan. Sebenarnya, apabila dinding semakin nipis, taburan tegasan tempatan pada permukaan berubah dan kadar hakisan mungkin meningkat kerana dinding yang lebih nipis lebih terpesong apabila terkena zarah, membawa kepada tegasan tempatan yang lebih besar yang memecah permukaan dengan lebih mudah. Statistik prestasi jangka panjang daripada loji asid fosforik menunjukkan bahawa kadar hakisan-hakisan secara amnya meningkat sebanyak 20-40% apabila ketebalan dinding kurang daripada 1.0 mm. Jadi dinding 2.5 mm bermula dengan lebih banyak logam dan mengambil masa yang lebih lama untuk masuk ke dalam rejim pecutan ini.

Peranan Mekanikal Ketebalan Dinding & Tenaga Kesan Kristal

Hablur yang melelas dalam buburan asid fosforik mentah tidak hanya meluncur ke atas permukaan tetapi memukulnya dari sudut yang berbeza bergantung pada corak aliran mengenai pemanas. Dalam aliran-silang, zarah dalam buburan menyerang tepi hadapan tiub pemanasan silinder pada sudut hampir normal (tenaga hentaman tinggi, hakisan paling besar) dan bahagian tepi pada sudut pandang (hakisan bawah). Tenaga hentaman bagi hablur kalsium sulfat yang bergerak pada 1.5 m/s ialah 0.5 hingga 2 mikrojoule bergantung kepada saiz zarah. Tenaga ini cukup untuk menghasilkan mikro-ubah bentuk plastik pada permukaan keluli tahan karat 316. Kedalaman lapisan terherot plastik dari setiap pukulan biasanya 1-5 mikron. Jumlah penyingkiran bahan dicapai melalui proses kelesuan dengan sejumlah besar hentaman: hentaman berulang menghasilkan pengerasan kerja, permulaan patah dan akhirnya pemisahan kepingan logam kecil. Kadar penyingkiran bahan berkait songsang dengan kekerasan logam dan juga bergantung kepada kapasiti bahan pukal asas untuk menyerap tenaga hentaman tanpa berkecai. Dinding yang lebih tebal membawa kepada asas anjal yang lebih besar di bawah permukaan yang terjejas. Untuk keluli tahan karat 316, modulus elastik ialah 193 GPa dan kekukuhan dinding tiub dalam lenturan adalah berkadar dengan kubus ketebalan untuk diameter luar yang diberikan. Ketebalan dinding 2.5 mm mempunyai kekukuhan lenturan kira-kira 4.6 kali ganda daripada ketebalan dinding 1.5 mm (2.5³/1.5³=4.6). Kekakuan yang meningkat mengurangkan pesongan dinamik apabila kesan zarah, dan dengan itu mengurangkan tegasan sentuhan puncak dan kadar hakisan. Pemerhatian lapangan dalam pemanas tumbuhan fosforik menunjukkan bahawa kadar hakisan tiub dinding 2.5 mm pada pinggir utama selalunya 20-30% kurang daripada tiub dinding 1.5 mm di bawah keadaan buburan yang sama semata-mata disebabkan oleh pengaruh kekakuan.

Penalti prestasi terma dinding yang lebih tebal dalam perkhidmatan mengotori

Buburan mentah asid fosforik terkenal untuk mencemarkan. Hablur kalsium sulfat cenderung terkumpul pada permukaan yang panas. Ini menyebabkan pembentukan skala yang menebat tiub dan mengehadkan pemindahan haba. Kadar pembangunan skala adalah bergantung kepada suhu permukaan berbanding dengan lengkung keterlarutan kalsium sulfat. Apabila suhu sarung melebihi 90-95 darjah , keterlarutan kalsium sulfat hemihidrat menurun dan pemendakannya dipercepatkan. Pemanas dinding 1.5 mm dengan ketumpatan watt 6 W/cm2 dalam asid pukal 80 darjah mempunyai suhu permukaan sarung kira-kira 95-100 darjah , pada ambang untuk penskalaan dipercepatkan. Pada ketumpatan watt yang sama, dinding 2.5 mm membawa kepada suhu sarung 110-120C, jauh ke dalam julat penskalaan. Tiub dinding 2.5 mm akan mempunyai binaan skala-lebih cepat dan lebih tebal daripada tiub 1.5 mm. Sebaik sahaja lapisan skala diletakkan, ia menambah rintangan habanya sendiri, yang mendorong suhu sarung lebih tinggi lagi dalam kitaran-mengukuhkan diri. Ketebalan dinding setara 4.0 mm rintangan haba berkesan dinding 2.5 mm dengan skala kalsium sulfat 0.5 mm. Skala ini bukan sahaja menghalang pengangkutan haba tetapi juga menghasilkan rekahan di bawah kimia asid pukal yang menjadi pekat tempatan dan mempercepatkan kakisan. Oleh itu, perbezaan dalam prestasi jangka panjang kedua-dua ketebalan amat bergantung kepada keupayaan untuk melaraskan skala. Dinding 2.5 mm boleh mencapai hayat hakisan-hakisan yang berpanjangan dalam tumbuhan menggunakan pembersihan mekanikal (pemutar atau pengikis) atau penyahkerak bahan kimia. Dinding 1.5 mm sebenarnya mungkin berprestasi lebih baik dalam tumbuhan yang skalanya dibenarkan untuk dikumpulkan. Suhu permukaan yang lebih rendah melambatkan pembentukan skala, dan apabila skala terbentuk, dinding asas yang lebih nipis mengekalkan fluks haba yang lebih tinggi melalui gabungan lapisan dinding-tambah skala.

Kitaran Terma dan Tegasan Pembesaran Berbeza

Penumpu asid fosforik berjalan dalam kitaran kelompok atau dengan suapan terputus-putus dan pemanas dikitar secara haba dari ambien kepada 80 darjah dan belakang. Setiap kitaran pemanasan menyebabkan ketegangan pengembangan berbeza antara wayar rintangan, penebat magnesium oksida dan sarung keluli tahan karat. Oleh kerana bahagian yang lebih tebal memberikan lebih rintangan kepada pengembangan dan pengecutan haba, amplitud tegasan ini adalah berkadar dengan ketebalan sarung. Pekali pengembangan untuk keluli tahan karat 316 untuk anjakan suhu 80 darjah ialah kira-kira 0.1% (16 × 10-6/ darjah x 80 darjah=0.00128). Untuk tiub diameter luar 12 mm, pengembangan ini ialah 0.015 mm. Dinding 1.5 mm mungkin lebih mudah mengendalikan pengembangan melalui ubah bentuk anjal daripada dinding 2.5 mm. Dinding yang lebih tebal tertakluk kepada tekanan kitaran yang lebih besar pada sentuhan antara sarung dan penebat magnesium oksida sepanjang beribu-ribu kitaran. Ini boleh menyebabkan keretakan penebat yang mengurangkan kekuatan dielektrik dan akhirnya membawa kepada kegagalan elektrik. Data prestasi jangka panjang-daripada loji fosforik menunjukkan bahawa pemanas dinding 2.5 mm mempunyai kadar kegagalan elektrik (pecahan penebat) yang lebih tinggi daripada pemanas dinding 1.5 mm selepas 3-5 tahun diservis, walaupun dinding 2.5 mm masih mempunyai baki ketebalan logam yang sesuai. Dinding yang lebih tebal mengorbankan hayat hakisan kakisan untuk hayat lesu terma.

Abstrak Perbandingan Prestasi Jangka Panjang-

Metrik Prestasi Sarung 1.5mm Sarung 2.5mm
Hakisan-kadar kakisan dengan buburan 1.5 m/s 0.6-1.2 mm/tahun 0.5-0.9 mm/tahun (20-30% lebih rendah disebabkan kekakuan)
Masa untuk penembusan (Anggaran) 1.3 hingga 2.5 tahun 2.8 hingga 5.0 tahun
Suhu sarung pada 6 W/cm² 95-100 darjah 110-120 darjah
Kadar penskalaan (kalsium sulfat)Sederhana (rejim ambang) Tinggi (rejim dipercepatkan)
Hayat kelesuan terma (kitaran sehingga kegagalan penebat) 4000-7000 kitaran 8000-12000 kitaran
Hayat perkhidmatan biasa yang dilaporkan untuk loji fosforik ialah 2-4 tahun (skala terhad) 3-5 tahun (keletihan haba terhad)
Penggunaan terbaik Tumbuhan dengan keupayaan penyahkerak, operasi kelompok Perkhidmatan berterusan dengan sedikit ruang untuk skala
Strategi Praktikal untuk Sambungan Sepanjang Hayat Melebihi Pemilihan Ketebalan

Ketebalan sarung sahaja tidak akan menyelesaikan isu buburan asid fosforik. Tiga penyelesaian pelengkap telah ditunjukkan untuk memanjangkan hayat pemanas melebihi apa yang akan diramalkan daripada ketebalan sahaja. 1. Pengurusan aliran: menjajarkan tiub pemanas selari dengan aliran buburan dan bukannya serenjang mengurangkan sudut hentaman dan kadar hakisan sebanyak 40-60%. Kedua, pengerasan permukaan: Nitriding atau boronisasi permukaan keluli tahan karat 316 meningkatkan kekerasan daripada 200 HV kepada 800-1000 HV, dengan banyak mengurangkan kadar hakisan tanpa meningkatkan rintangan haba. Tiub 1.5 mm dengan permukaan yang lebih keras boleh menjadi dua kali lebih tahan lama daripada tiub 2.5 mm tanpa permukaan yang keras. Ketiga, pengurusan skala, dengan suhu asid pukal dikekalkan di bawah 75 darjah atau penggunaan perencat skala seperti poliakrilat, mengekalkan permukaan sarung di bawah ambang pemendakan kalsium sulfat supaya penggunaan dinding yang lebih nipis dan lebih cekap haba adalah mungkin. Sesetengah tumbuhan telah menggunakan pemanas dinding 1.2 mm dengan pengerasan permukaan dan perencatan skala selama lima tahun atau lebih tanpa sebarang masalah, manakala pemanas dinding 2.5 mm yang tidak dirawat gagal disebabkan oleh terlalu panas yang disebabkan oleh skala.

Kesimpulan: Perbezaan Prestasi Dijelaskan oleh Keadaan Operasi

Perbezaan prestasi-jangka panjang antara 1.5 mm dan 2.5 mm ketebalan dinding untuk 316 pemanas keluli tahan karat dalam buburan mentah asid fosforik 10% pada 80 darjah bukanlah faedah mudah untuk dinding yang lebih tebal. Dinding 2.5-mm memberikan 1.5 hingga 2.0 kali hayat hakisan-kehidupan kakisan dalam perkhidmatan penskalaan berterusan,{13}}rendah, tetapi mengalami suhu permukaan yang lebih tinggi yang meningkatkan kadar penskalaan dan daripada hayat kelesuan haba yang dikurangkan. 1.5mm dinding mempunyai prestasi terma yang unggul, kecenderungan penskalaan haba yang lebih lama dan kecenderungan logam yang lebih rendah hakisan{18}}hakisan. Bagi kebanyakan tumbuhan asid fosforik, ketebalan optimum adalah di antara dua ekstrem ini, sekitar 1.8-2.0 mm, dengan pengerasan permukaan dan kawalan skala digunakan. Jika loji dengan kawalan skala yang baik dan operasi berterusan terpaksa memilih antara keduanya, dinding 2.5 mm harus dipilih untuk memaksimumkan hayat hakisan-karat. Untuk loji yang beroperasi dalam mod kelompok, dengan kitaran haba yang kerap atau keupayaan penyahkekal terhad, ketebalan dinding 1.5 mm hendaklah dipilih untuk mengelakkan penskalaan dan kegagalan lesu haba. Keperluan rawatan permukaan dan orientasi aliran harus diberikan pada spesifikasi, menjadikan pemilihan ketebalan mudah menjadi reka bentuk pemanas pengendalian buburan sepenuhnya.