Millise seina paksuse marginaali on ammooniumkarbamaadiga karbamiidi tootmisreaktorites vaja titaanküttetoru 10-aastase kasutusea saavutamiseks?

Karbamiidi sünteesireaktorid töötavad karmides tingimustes kõrge temperatuuriga ammooniumkarbamaadi lahusega 180{4}}210 kraadi juures, rõhul 140{7}}250 baari ning ammoniaagi, süsinikdioksiidi ja vahepealsete karbamaadiliikide söövitava kombinatsiooniga. 2. klassi titaanist on saanud karbamiidi eemaldamise -tüüpi karbamiiditehaste küttetorude standardmaterjal, kuna see on piisava seinapaksuse varu valimisel vastupidav karbamaadi korrosioonile. Paljudes keemilistes tingimustes kontrollib homogeenne korrosioon materjali kadu. Ammooniumkarbamaat ründab titaani üldise korrosiooni, lokaalse täppide tekkega keevisõmbluse kuumusest mõjutatud tsoonides ja voolust tingitud korrosiooniga suure kiirusega kokkupõrkekohtades. Selles artiklis määratakse titaanist 2. klassi küttetorude minimaalne seinapaksus, et säilitada 10-aastane projekteeritud kasutusiga, tuginedes töötavate karbamiiditehaste korrosioonikiiruse andmetele ja kiirendatud autoklaavitestidele.

Ammooniumkarbamaadi korrosioonikiiruse profiil
Titaani 2. klassi korrosioonikiirus ammooniumkarbamaadi lahuses ei ole konstantne, vaid sõltub temperatuurist, hapnikusisaldusest ja voolurežiimist. Passiveeritud seisund saavutatakse 0,1–0,5% hapniku või õhu juuresolekul karbamaadi voolus ja üldine korrosioonikiirus on 0,02–0,05 mm aastas 190 kraadi juures. Passiivkile muutub deaereeritud tingimustes (O2 < 10 ppm) vähem stabiilseks ja korrosioonikiirus suureneb 0,10–0,15 mm-ni aastas. Enamik kaubanduslikke karbamiidiprotsesse toimib passivatsiooni säilitamiseks kontrollitud hapniku sisendiga (20–50 ppm), kuigi häireid esineb.

Korrosioonikiirus keevisõmbluse kuumuse{0}}mõjutatud tsoonides on mikrostruktuurimuutuste ja jääkpingete tõttu tavaliselt 2-3 korda kõrgem kui mitteväärismetallil. Väliandmed 12 karbamiidirajatise kohta, mis on töötanud 5–10 aastat, näitavad keskmist mitteväärismetallide korrosiooni kiirust 0,08 mm/a (sealhulgas passiveerimisrikked) ja keevistsooni läbitungimist 0,20 mm/a. Voolu kiirendatud korrosioon torude sisselaskeavadel karbamaadi kiirusega üle 5 m/s põhjustab lokaalse seinakadu täiendavalt 0,05–0,10 mm aastas.

Seina paksuse arvutus 10-aastase disainiea jaoks
Võttes aluseks nõutava 10-aastase eluea ja kasutades ülaltoodud korrosioonimäärasid, arvutatakse nõutav korrosioonivaru järgmiselt: Mitteväärismetalli varv (0,08 mm/aastas x 10 aastat=0.8 mm) + keevistsooni varv (lisa 0,12 mm aastas keskmine erinevus x 10 aastat=1.2 mm lokaliseeritud). Kui lisaturvavaru ei arvestata, on keevisõmbluste arvutuslik kogukadu 10 aasta jooksul 2,0 mm.

Sellele lisandub ohutustegur 1,5, et hoolitseda protsessihäirete, hapnikupuuduse episoodide ja lokaalsete täppide eest. Minimaalne nõutav konstruktsiooni seina paksuse varu on 3,0 mm üle minimaalse konstruktsiooni seina paksuse. 25 mm läbimõõduga toru puhul siserõhul 200 baari on minimaalne konstruktsioonisein ligikaudu 1,2 mm (põhineb õhukese seinaga surveanuma arvutustel, mille arvestuslik pinge on 70 MPa temperatuuril 200 °C), seega on seina nimipaksus kokku 4,2 mm.

See arvutus on näidatud tööstusharu praktikas karbamiidi eemaldamise torude ja küttetorude puhul. Enamik kütteseadmete jaoks mõeldud karbamiiditehaseid kasutavad titaanist 2. klassi torusid seinapaksusega 3,5–4,5 mm, võrreldes 1,5–2,0 mm väiksemate keemiliste rakendustega. Mõned hea hapnikukontrolliga ja vähese keeviskorrosiooniga tehased on edukalt töötanud 3,0 mm seinaga ja saavutanud 10-aastase eluea, kuigi 2,5 mm juures on 5-6 aasta pärast esinenud rikkeid.

Karbamiidi küttetoru spetsifikatsioon – rakendusmaatriks
Karbamiidi protsessi tüüp hapnikukontroll Eeldatav aluse korrosioonimäär Soovitatav minimaalne seinapaksus Oodatav 10-aastane elulemusmäär
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >95% CO2 eemaldamine muutuva hapnikuga Õiglane (10–30 ppm, tavalised häired) 0,08–0,12 mm/a 3,5 mm 90–95%
Täielik ringlussevõtu töötlemine (ilma O2ta) Kehv (de-aereeritud) 0,15–0,20 mm/a 4,5 mm 85–90%
Any high velocity zones (>5 m/s) Erosioon: lisage 0,5 mmLisage 0,5 mm Lisage 0,5 mm ülaltoodud uureasoojendi spetsifikatsiooni muutuva järelduse jaoks
Titaanküttetorude minimaalne seinapaksus ammooniumkarbamaadi kasutamisel 10-aastaseks kavandatud elueaks on 3,0 mm parima hapniku-kontrollitud eemaldamisprotsesside korral ja 4,5 mm õhuvaba või täieliku taaskasutamise protsesside puhul. Peamine rikkerisk on keevisõmbluse-korrosioon ja seetõttu on vaja keevitusjärgset kuumtöötlust ja täpset keevisprofiili koostamist. Insenerid peaksid määrama minimaalseks seinapaksuseks 3,5 mm uute kütteseadmete spetsifikatsioonide jaoks standardsetes CO₂ eemaldavates karbamiiditehastes ja 4,0 mm seadmetes, mis kogevad sageli hapnikukontrolli häireid. Tavalistes keemilistes operatsioonides kasutatavad seinapaksused (2,0–2,5 mm) ei anna uureareaktorites 10-aastast eluiga.