Apakah Ketebalan Dinding Sarung Keluli Tahan Karat 316 Maksimum yang Dibenarkan untuk Pemanas Rendaman Elektrik dalam Perkhidmatan Asid Nitrik Melebihi Kepekatan 20 Peratus pada 80 Darjah Celcius?

Jurutera proses kimia yang memilih keluli tahan karat 316 sebagai bahan sarung untuk pemanas rendaman elektrik dalam perkhidmatan asid nitrik untuk saluran penjerukan logam, pembuatan kimia dan sistem penghadaman makmal, perlu menyedari kedua-dua rintangan kakisan dan prestasi terma. Asid nitrik adalah unik di kalangan asid mineral kerana ia mengoksida. Ini membantu membentuk lapisan pasif pada keluli tahan karat. Tetapi 316 masih boleh mengalami kakisan cepat pada kepekatan melebihi 20% dan pada suhu melebihi 60 darjah, terutamanya jika asid tercemar dengan klorida atau jika suhu permukaan sarung terlalu tinggi. Ketebalan dinding sarung 316 memberi kesan kepada elaun kakisan untuk hayat perkhidmatan pemanas dan suhu permukaan pada ketumpatan watt tertentu. Malah, dinding yang lebih tebal meningkatkan suhu permukaan yang boleh menyebabkan kakisan yang lebih cepat. Berdasarkan gambar rajah isocorrosion dan data medan yang diterbitkan, artikel ini membentangkan ketebalan dinding maksimum yang dibenarkan untuk 316 sarung dalam perkhidmatan asid nitrik.

Rintangan Kakisan Keluli Tahan Karat 316 kepada Asid Nitrik
316 stainless steel is protected in high-concentration nitric acid by a passive chromium oxide coating. The corrosion rate is usually < 0.1 mm per year at normal temperature. The corrosion rate increases with temperature but the relation is not monotonic. At nitric acid concentrations of 20 to 40% and temperatures over 70°C, 316 is in the transpassive region where the protective coating breaks down locally, resulting in pitting and intergranular assault. At concentrations >60%, asid menjadi teroksida dengan kuat dan filem pasif berubah semula mengurangkan kadar kakisan. Kawasan yang paling agresif untuk 316 dalam asid nitrik adalah sekitar 30-50% kepekatan pada 80-100 darjah di mana kadar kakisan mungkin setinggi 0.5-1.0 mm setahun. Fluks haba ke pemanas rendaman membawa kepada suhu permukaan sarung biasanya 20-50 o C melebihi suhu asid pukal. Pemanas dalam asid pukal 80 darjah pada 8 W/cm² akan mempunyai suhu permukaan sarung 105–115 darjah , yang berada dalam julat tinggi untuk kadar kakisan. Walau bagaimanapun, perkaitan antara ketebalan dinding, ketumpatan watt dan suhu permukaan bermakna sarung yang lebih tebal, meningkatkan suhu permukaan untuk ketumpatan watt tertentu, sebenarnya mungkin memendekkan hayat perkhidmatan, walaupun membekalkan lebih banyak bahan permulaan.

Kadar Kakisan dan Kesan Ketebalan Dinding Hayat Perkhidmatan
Dengan peningkatan 316 ketebalan dinding sarung, rintangan haba tambahan meningkat secara linear dengan suhu permukaan luar untuk ketumpatan watt tertentu dan suhu asid pukal. Kadar kakisan pada 40 % asid nitrik dan suhu pukal 80 darjah adalah kira-kira 0.3 mm/tahun, suhu permukaan sarung ialah 95 darjah . Pada 110 darjah kadar kakisan meningkat kepada sekitar 0.7 mm setahun. Pada 125 darjah kadar menghampiri 1.2 mm/tahun. Sekarang pertimbangkan pemanas dengan ketebalan dinding 6 W/cm$^2$ dan 1.0 mm. Suhu permukaan adalah kira-kira 100 darjah yang memberikan kadar kakisan 0.4 mm setahun. Elaun kakisan 0.4 mm terhadap ketebalan 1.0 mm membolehkan 0.6 mm untuk keutuhan struktur memberikan hayat perkhidmatan yang selamat selama kira-kira 2.5 tahun. Pemanas yang sama dengan ketebalan dinding 2.0 mm pada ketumpatan watt yang sama mempunyai suhu permukaan kira-kira 118 darjah dan dengan itu kadar kakisan 0.9 mm setahun. Dengan elaun kakisan 0.9mm lebih 2.0mm, ini meninggalkan 1.1mm, memberikan hayat perkhidmatan kira-kira 2.4 tahun - hampir sama tetapi dengan dua kali ganda ketebalan dinding asal. Dinding yang lebih tebal tidak memanjangkan hayat kerana ia lebih cepat terhakis. Kesimpulan paradoks ini menunjukkan bahawa untuk operasi asid nitrik terdapat ketebalan dinding yang ideal yang mengimbangi bahan awal berbanding pecutan kakisan. Pengiraan berdasarkan data kakisan yang diterbitkan menunjukkan ketebalan dinding sarung 316 yang ideal kira-kira 1.2-1.4 mm untuk 40% asid nitrik pada 80 darjah dengan ketumpatan watt 6-8 W/cm² untuk memberikan hayat perkhidmatan yang terbaik.

Ketebalan Dinding yang Disyorkan Maks Untuk Perkhidmatan Asid Nitrik
Jadual berikut memberikan ketebalan dinding sarung maksimum yang disyorkan untuk pemanas rendaman elektrik dalam perkhidmatan asid nitrik. Nilai adalah untuk operasi berterusan, asid bersih tanpa pencemaran klorida, dan hayat perkhidmatan matlamat minimum dua tahun. Untuk keperluan hayat perkhidmatan yang lebih lama adalah lebih berfaedah untuk mengurangkan ketumpatan Watt daripada meningkatkan ketebalan dinding.

Kepekatan Asid Nitrik Suhu Asid Pukal Disyorkan Julat Ketumpatan Watt Maksimum Disyorkan 316 Ketebalan Dinding Sarung Jangkaan Kadar Kakisan pada Ketebalan Maksimum Anggaran Hayat Perkhidmatan pada Ketebalan Maksimum 10 – 20% Sehingga 90 darjah 8 – 12 W/cm² 2.0 mm 0.5 tahun – 0.25 mm 0.25 – 0.25 tahun. 20 – 30% 60 – 80 darjah 6 – 10 W/cm² 1.6 mm 0.30 – 0.50 mm/tahun 3 – 5 tahun 20 – 30% 80 – 95 darjah 4 – 7 W/cm² 1.2 mm 0.50 – 0.80 30 – 0.80 mm/tahun %60 –80 30 – 5 tahun 4 – 6 W/cm² 1.2 mm 0.60 – 1.00 mm/tahun 1.5 – 2.5 tahun 30 – 50% 80 – 95 darjah 2 – 4 W/cm² 1.0 mm 0.80 – 1.20 mm/tahun 1 – 2 tahun 50 – 10.0% W/cm² 6 – 80% W/cm² 0.10 – 0.20 mm/tahun 5 – 10 tahun 50 – 70% 80 – 100 darjah 4 – 7 W/cm² 1.6 mm 0.20 – 0.35 mm/tahun 4 – 6 tahun
Lebih 70%Sehingga 100 darjah 8 – 12 W/cm² 2.5 mm Bawah 0.10 mm/tahunLebih 10 tahun
Keluli tahan karat 316 adalah marginal untuk asid nitrik dalam julat kepekatan 30-50% pada suhu melebihi 80 darjah C, tanpa mengira ketebalan dinding. Jurutera dalam keadaan ini harus mempertimbangkan untuk menaik taraf kepada keluli tahan karat silikon tinggi seperti Durimet 20 atau aloi titanium. Titanium mempunyai rintangan kakisan yang tinggi dalam asid nitrik pada semua kepekatan dan suhu dengan kadar kakisan di bawah 0.05 mm/tahun walaupun pada suhu mendidih. Kos permulaan titanium yang lebih tinggi diimbangi oleh hayat perkhidmatannya yang lebih lama dan penghapusan kemungkinan kegagalan bencana daripada kakisan setempat.

Pengubahsuaian Reka Bentuk untuk Melanjutkan Hayat Perkhidmatan Tanpa Meningkatkan Ketebalan Dinding
Tiga perubahan reka bentuk boleh meningkatkan hayat perkhidmatan dalam persekitaran asid nitrik yang keras di mana penggunaan sarung 316 diperlukan dan ketebalan dinding dihadkan oleh kekangan terma atau pembuatan. Yang pertama dan paling berkesan ialah meminimumkan ketumpatan watt. Menurunkan ketumpatan watt daripada 6 W/cm² kepada 3 W/cm² menghasilkan penurunan suhu permukaan sarung kira-kira 15–20 darjah , yang mencukupi untuk mengurangkan kadar kakisan sebanyak 40–60% di kawasan transpasif. Kompromi adalah lebih panjang atau diameter pemanas. Perubahan kedua ialah memasifkan permukaan sarung dengan asid nitrik kuat sebelum pemasangan. Rendaman selama 30 minit dalam asid nitrik 30% pada 60 darjah C mengurangkan kadar kakisan awal sebanyak 20{19}}30%, menebal salutan pasif dan menghilangkan pencemaran besi permukaan. Perubahan ketiga ialah kawalan kimia asid. Kepekatan ion nitrat hendaklah dikekalkan melebihi 0.5% malah kesan pencemaran klorida-di bawah 50 ppm-harus dielakkan untuk mengelakkan peralihan kepada kakisan aktif. Jika klorida tidak boleh dikawal, tanpa mengira ketebalan dinding, 316 adalah tidak sesuai. Untuk aplikasi asid nitrik yang penting jurutera harus menuntut ujian kupon kakisan dengan sampel bahan sarung sebenar dalam asid proses sebenar pada suhu permukaan yang dijangkakan. Statistik kakisan yang diterbitkan boleh menjadi panduan tetapi ketulenan asid dan kawalan suhu sebenar boleh berbeza-beza. Kos ujian kupon adalah kecil berbanding kos kegagalan pemanas yang tidak dijangka yang mencemarkan kumpulan produk atau mematikan barisan pengeluaran. Apabila memesan pemanas untuk operasi asid nitrik, sentiasa nyatakan ketebalan dinding yang dijangkakan dan ketumpatan watt dan minta suhu permukaan yang diramalkan oleh pengeluar dan anggaran kadar kakisan yang berkaitan. Jika pembekal tidak dapat menghantar pengiraan, maka permohonan itu tidak boleh diberikan kepada mereka.