Apakah Fluks Haba Maksimum Yang Dibenarkan untuk Pemanas Sarung Titanium Gred 7 yang Terendam dalam Asid Sulfurik 15% pada 90 darjah untuk Mengelakkan Pendidihan Setempat-Kakisan Teraruh?

Suhu tinggi dalam operasi asid sulfurik adalah persekitaran yang sukar untuk peralatan pemanasan titanium. Titanium gred 7 (Ti-0.15Pd) mempunyai rintangan kakisan yang baik dalam 15 % H2SO4 pada 90 darjah C dalam keadaan rendaman biasa, tetapi kimia tempatan banyak berubah dengan kehadiran permukaan yang panas. Pada permukaan sarung titanium, pendidihan tempatan larutan asid sulfurik direalisasikan pada{12} antara muka cecair logam apabila fluks haba mencapai nilai kritikal. Mendidih membawa kepada kepekatan asid berhampiran permukaan yang dipanaskan dan menaikkan suhu tempatan melebihi pukal 90 darjah, dan boleh mengubah tingkah laku kakisan daripada pasif kepada aktif. Hasilnya ialah serangan dipercepatkan dilihat sebagai gelang kakisan pada antara muka cecair wap-atau sebagai pitting betul-betul di bawah gelembung wap yang melekat. Artikel ini menentukan fluks haba maksimum yang dibenarkan untuk pemanas sarung titanium Gred 7 dalam 15% asid sulfurik pada 90 darjah untuk mengelakkan mekanisme kakisan akibat pendidihan ini.

Proses Kakisan Disebabkan Oleh Mendidih
Asid sulfurik ialah larutan bukan-azeotropik yang takat didihnya bergantung pada kepekatannya. Untuk 15% H₂SO₄ pada tekanan atmosfera, takat didih pukal adalah kira-kira 103 darjah . Gelembung wap dinukleuskan pada ketidaksempurnaan permukaan apabila suhu permukaan sarung pemanas melebihi suhu didih tempatan. Pembentukan gelembung menyebabkan filem cecair di antaranya dan permukaan panas menyejat, menumpukan asid sulfurik dalam lapisan nipis itu. Kepekatan boleh meningkat daripada 15% kepada 30-50% dalam milisaat daripada nukleasi gelembung dan suhu tempatan pada permukaan logam di bawah gelembung mencapai suhu kepanasan lampau dinding, secara amnya 5-20 darjah C di atas takat didih pukal.

In sulfuric acid, the passive-active transition of Grade 7 titanium is observed at a critical combination of concentration and temperature. Grade 7 is passive in 15% acid at 90 C with corrosion rate of less than 0.05 mm per year. In 30% acid at 100°C the corrosion rate increases to 0.5-1.0 mm/year. In 40% acid at 110°C, the rate is >5 mm/tahun. Lapisan kepekatan teraruh-mendidih secara setempat mencipta keadaan yang agresif dengan tepat, mengakibatkan kehilangan logam yang cepat di tapak nukleasi gelembung.

Penentuan Ambang Fluks Haba
Fluks haba kritikal (CHF) untuk pendidihan nukleat 15% asid sulfurik pada 90 darjah adalah keadaan di mana pembentukan gelembung wap cukup kuat untuk mengekalkan lapisan asid pekat. Di bawah CHF, buih-buih muncul secara berkala dan berlepas dengan cepat, membenarkan salutan pekat untuk dimasukkan ke dalam pukal sebelum kakisan yang serius bermula. Di atas CHF, ketumpatan gelembung meningkat, penyatuan berlaku dan filem wap berterusan boleh terbentuk (peralihan kepada pendidihan filem). Kesan ini mempercepatkan kepekatan dan kakisan.

Kajian eksperimen dengan probe ujian titanium Gred 7 yang direndam dalam 15% H2SO4 pada 90 darjah mendedahkan peningkatan mendadak kadar kakisan pada fluks haba melebihi 35 kW/m2. Kadar kakisan pada 25 kW/m2 adalah kurang daripada 0.05 mm/tahun. Pada 35 kW/m2 kadar meningkat kepada 0.10 mm/tahun, masih boleh diterima untuk kebanyakan aplikasi. Pada 45 kW/m2 kadar meningkat kepada 0.35 mm/tahun. Kadar melebihi 0.8 mm setahun pada 55 kW/m² dan kakisan gelang yang boleh dilihat berlaku pada antara muka cecair-wap. Serangan tempatan yang pantas menembusi dinding 1.65 mm dalam 1000 jam pada 65 kW/m{sup 2}.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 tahun) operasi ialah 40 kW/m². Untuk aplikasi dengan hayat perkhidmatan 2-3 tahun, 50 kW/m2 dibenarkan. Jika nilai melebihi 60 kW/m², titanium Gred 7 tidak sesuai, tanpa mengira ketebalan dinding.

Faktor Pengurangan dan Matriks Aplikasi
Keadaan operasi & persediaan pemanasMaksimum Fluks Haba Yang Dibenarkan (kW/m2) Jangkaan Mekanisme Kakisan Ketebalan Dinding Disyorkan
Orientasi menegak, tenggelam sepenuhnya, perolakan semula jadi yang baik 40 kW/m² (berterusan) Hakisan pasif seragam<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Terendam sepenuhnya, penjajaran mendatar, perolakan yang baik 35 kW/m² Kepekatan didih rendah pada permukaan atas 1.65 mm
Separa terendam (wap-antara muka cecair ada) 25 kW/m2 Kakisan gelang meniskus 2.0 mm atau mengelakkan penenggelaman separa
Tangki bergolak (mekanikal atau sparging udara) 50 kW/m² Buih dipecahkan oleh pengadukan, mengurangkan kepekatan 1.2-1.5 mm
Peredaran rendah, tangki bertakung 30 kW/m2Ketahanan buih meningkatkan serangan 1.65 mm
Sebarang perkhidmatan dengan pengotoran/penskalaan permukaan 25 kW/m2 Pengotoran meningkatkan suhu permukaan setempat 2.0 mm Pengesyoran Reka Bentuk Praktikal
Fluks haba maksimum yang dibenarkan untuk tugas berterusan tanpa kakisan mendidih untuk pemanas sarung titanium Gred 7 yang direndam dalam asid sulfurik 15% pada 90 darjah ialah 40 kW/m^2. Fluks haba ini membawa kepada suhu permukaan sekitar 8-10 darjah di atas suhu cecair pukal, mengekalkan permukaan logam di bawah 100 darjah dan mengehadkan kuasa pemanduan untuk nukleasi gelembung wap. Jurutera harus meningkatkan luas permukaan yang dipanaskan dan bukannya ketumpatan watt untuk mendapatkan kadar pemanasan yang diingini dalam kekangan ini. Jumlah kuasa yang sama boleh dibekalkan pada fluks haba yang lebih rendah dengan menggunakan pemanas yang lebih panjang atau banyak tiub diameter yang lebih kecil seiring. Minta fluks haba sarung yang dikira (jumlah kuasa dibahagikan dengan luas permukaan sarung terendam) apabila anda memesan pemanas, dan pastikan ia tidak melebihi 40 kW/m2. Dalam sistem dengan peredaran yang lemah atau di mana rendaman separa tidak dapat dielakkan, turunkan fluks yang dibenarkan kepada 25-30 kW/m2 atau pilih kaedah pemanasan alternatif seperti sparging wap.