Mis on 316 roostevabast terasest küttekeha 10% fosforhappe toorlobris 80 kraadi juures 80 kraadise abrasiivkristallidega valmistatud 316 roostevabast terasest küttekeha 1,5–2,5 mm kesta paksuse vahel{0}}

Fosforhappe tootmise teenuste{0}}põhisoodustus

Fosforhappe märg-protsess annab 10% fosforhappe toorsuspensiooni kaltsiumsulfaadi hemihüdraadi või dihüdraadi kristallide, reageerimata fosfaatkivimi osakeste ja erinevate metalliliste saasteainete segus. See on väga agressiivne keskkond nõrgalt happelise keskkonna (pH 1-2) ja tahkete osakeste kombinatsiooni tõttu, mis õõnestavad roostevaba terase 316 passiivset katet. Fosforhappe kontsentraatorite ja ründepaakide elektrilised sukelsoojendid alluvad kombineeritud keemilisele korrosioonile ja mehaanilisele hõõrdumisele. Katte paksuse 1,5 mm versus 2,5 mm otsus on pikaajaline toimivusarvutus, mille puhul tuleb paksemas seinas olev lisametall tasakaalustada suurema ristlõikega jooksmise termiliste ja mehaaniliste mõjudega. Erinevalt puhaste vedelike teenusest, kus ainus mure on korrosioon, hõlmab see rakendus mitmeaastaste kampaaniate jooksul kahe vastastikku toimiva lagunemismehhanismi jälgimist.

Erosioon-Korrosiooni sünergismi sõltuvus paksusest

Roostevaba terase 316 ühtlane korrosioonikiirus puhtas fosforhappes 80 kraadi juures on ligikaudu 0,1-0,3 mm/aastas, olenevalt fluoriidi ja kloriidi lisandite kogusest toorhappes. Lisades tavaliselt 10-100 mikroni suuruseid abrasiivseid kristalle (kaltsiumsulfaadi poolhüdraadi kristalle), mille Mohsi kõvadus on 2,5-3,0, lülitub lagunemismehhanism puhtalt korrosioonilt erosiooni{18}korrosioonile. Kaitsev passiivne kate eemaldatakse pidevalt kokkupõrkes olevate osakeste toimel, mis puutuvad värske metalli kokku happega. Erosiooni{21}}korrosioonikiirus ei ole ainult puhta erosioonikiiruse ja puhta korrosioonikiiruse summa. Selle asemel tekib sünergiline efekt, kus pidevalt de{29}}passiveeritud metalli korrosioonikiirus on oluliselt suurem kui stabiilse passiivse pinna korrosioonikiirus. Avaldatud tulemused 316 roostevaba terase kohta 10% fosforhappes koos 5-10% osakestega 80 kraadi juures ja suspensiooni kiirusega 1,5 m/s näitavad erosiooni-korrosiooni kiirust 0,6–1,2 mm aastas, mis on kolm kuni kuus korda suurem kui puhas korrosioon. Arvestuslik aeg perforatsioonini pideva erosiooni-korrosiooni korral on 1,5 mm seinapaksusega 1,3-2,5 aastat. 2,5 mm seina puhul on arvestuslik aeg 2,1–4,2 aastat. Kuid need arvutused eeldavad püsivat erosiooni-korrosiooni kiirust. Tegelikkuses muutub seina õhemaks muutudes lokaalne pingejaotus pinnal ja erosioonikiirus võib suureneda, kuna õhem sein kaldub osakeste kokkupuutel rohkem kõrvale, põhjustades suuremaid lokaalseid pingeid, mis lõhuvad pinda kergemini. Fosforhappetehaste pikaajaline jõudlusstatistika näitab, et kui seina paksus on alla 1,0 mm, suureneb erosiooni-korrosiooni kiirus üldiselt 20–40%. Nii et 2,5 mm seinal on rohkem metalli ja sellesse kiirendusrežiimi jõudmiseks kulub kauem aega.

Seinte paksuse ja kristallide löögienergia mehaaniline roll

Toorfosforhappe lägas olevad abrasiivsed kristallid ei libise lihtsalt üle pinna, vaid löövad seda erinevate nurkade alt sõltuvalt kütteseadme voolumustrist. Ristvoolu -osakesed löövad lägas olevad osakesed silindrilise kuumutustoru esiserva peaaegu normaalsete nurkade all (suur löögienergia, suurim erosioon) ja külgedele pilgunurkade all (madalam erosioon). 1,5 m/s liikuva kaltsiumsulfaadi kristalli löögienergia on olenevalt osakeste suurusest 0,5 kuni 2 mikrodžauli. Sellest energiast piisab mikro-plastilise deformatsiooni tekitamiseks roostevaba terase 316 pinnal. Iga tabamuse plastiliselt moonutatud kihi sügavus on üldiselt 1-5 mikronit. Materjali täielik eemaldamine saavutatakse suure hulga löökidega väsimisprotsessiga: korduvad löögid toovad kaasa töö kõvenemise, purunemise ja lõpuks väikeste metallitükkide eraldumise. Materjali eemaldamise kiirus on pöördvõrdeline metalli kõvadusega ja sõltub ka alusmaterjali suutlikkusest absorbeerida löögienergiat ilma purunemata. Paksem sein viib löögipinna alla suurema elastse vundamendini. Roostevaba terase 316 puhul on elastsusmoodul 193 GPa ja toru seina jäikus painutamisel on võrdeline antud välisdiameetri paksuse kuubikuga. Seina paksusega 2,5 mm on paindejäikus umbes 4,6 korda suurem kui 1,5 mm paksusel seinal (2,5³/1,5³=4.6). Suurenenud jäikus vähendab osakeste kokkupõrkel tekkivat dünaamilist läbipainet ja vähendab seeläbi tippkontakti pinget ja erosioonikiirust. Fosforküttekehade välivaatlused näitavad, et 2,5 mm seinatorude erosioonikiirus esiservas on sageli 20–30% väiksem kui 1,5 mm seinatorudel samades lägatingimustes ainult jäikuse mõjul.

Paksema seina soojustõhusus määrdumise korral

Fosforhappe toorsuspensioon on hästi teada, et see saastab. Kaltsiumsulfaadi kristallid kipuvad kogunema kuumadele pindadele. See põhjustab katlakivi moodustumist, mis isoleerib toru ja piirab soojusülekannet. Katlakivi kujunemise kiirus sõltub pinnatemperatuurist kaltsiumsulfaadi lahustuvuskõvera suhtes. Kui ümbrise temperatuur on üle 90-95 kraadi, langeb kaltsiumsulfaathemihüdraadi lahustuvus ja selle sadestumine kiireneb. 1,5 mm seinasoojendi vattihedusega 6 W/cm2 80-kraadises puistehappes on ümbrise pinnatemperatuur umbes 95{19}}100 kraadi, mis on kiirendatud skaleerimise lävel. Sama vattiheduse korral viib 2,5 mm sein ümbrise temperatuurini 110-120 °C, mis jääb mastaabivahemikku. 2,5 mm seinaga torul on katlakivi-kiireem ja paksem kui 1,5 mm torul. Kui katlakivi kiht on paigas, lisab see oma soojustakistuse, mis tõstab katte temperatuuri isetugevduva tsükli käigus veelgi kõrgemale. 2,5 mm seina efektiivse soojustakistuse ekvivalentne seinapaksus 4,0 mm 0,5 mm kaltsiumsulfaadi katlakiviga. See skaala mitte ainult ei pärsi soojuse transporti, vaid tekitab ka happelise keemia all pragusid, mis lokaalselt kontsentreeritakse ja kiirendavad korrosiooni. Seega sõltub kahe paksuse pikaajalise toimimise erinevus eluliselt skaala reguleerimisvõimest. 2,5 mm sein võib saavutada oma pikema erosiooni-korrosiooni eluea taimedes, kasutades mehaanilist puhastust (vurrid või kaabitsad) või keemilist katlakivieemaldust. 1,5 mm sein võib tegelikult paremini toimida taimedes, kuhu on lubatud koguda katlakivi. Madalam pinnatemperatuur lükkab katlakivi teket edasi ja katlakivi moodustumisel hoiab õhem alussein suuremat soojusvoogu läbi kombineeritud seina ja katlakivi kihi.

Termorattasõit ja diferentsiaali laienemise pinged

Fosforhappe kontsentraatorid töötavad perioodiliste tsüklitena või vahelduva etteandega ning küttekeha termotsükliline tsükkel ümbritsevast temperatuurist 80 kraadini ja tagasi. Iga küttetsükkel põhjustab takistustraadi, magneesiumoksiidi isolatsiooni ja roostevabast terasest ümbrise vahel erineva paisumispinge. Kuna paksem osa annab suurema vastupidavuse soojuspaisumisele ja kokkutõmbumisele, on nende pingete amplituud võrdeline ümbrise paksusega. Roostevaba terase 316 paisumistegur 80-kraadise temperatuurinihke korral on ligikaudu 0,1% (16 × 10-6/kraadi x 80 kraadi=0.00128). 12 mm välisläbimõõduga toru puhul on see laienemine 0,015 mm. 1,5 mm sein talub elastse deformatsiooni tõttu paisumist kergemini kui 2,5 mm sein. Paksemale seinale avaldatakse tuhandete tsüklite jooksul mantli ja magneesiumoksiidi isolatsiooni kokkupuutel suurem tsükliline rõhk. See võib põhjustada isolatsiooni pragunemist, mis vähendab dielektrilist tugevust ja viib lõpuks elektririkkeni. Fosforitehaste pikaajalised toimivusandmed näitavad, et 2,5 mm seinaküttekehadel on pärast 3–5-aastast kasutust suurem elektririkke (isolatsiooni purunemine) kui 1,5 mm seinakütteseadmetel, isegi kui 2,5 mm seinal on veel sobiv metalli paksus alles. Paksem sein ohverdab korrosiooni-erosiooni eluea termilise väsimuse tõttu.

Pikaajalise-toimivuse võrdluse kokkuvõte

Performance Metric 1,5 mm kest 2,5 mm ümbris
Erosioon-korrosioonikiirus 1,5 m/s lobriga 0,6-1,2 mm/aastas 0,5-0,9 mm/aastas (jäikuse tõttu 20-30% madalam)
Aeg perforatsioonini (hinnanguline) 1,3 kuni 2,5 aastat 2,8 kuni 5,0 aastat
Katte temperatuur 6 W/cm² 95-100 kraadi 110-120 kraadi
Skalatsioonimäär (kaltsiumsulfaat) Mõõdukas (lävirežiim) Kõrge (kiirendatud režiim)
Termiline väsimuse eluiga (tsüklid kuni isolatsioonirikkeni) 4000-7000 tsüklit 8000-12000 tsüklit
Tüüpiline fosforijaamade kasutusiga on 2–4 aastat (piiratud ulatus) 3–5 aastat (termiline väsimus piiratud)
Parim kasutusvõimalus Katlakivieemaldusvõimalusega tehased, partiitööga Pidev teenindus vähese mastaabiruumiga
Praktilised strateegiad eluea pikendamiseks peale paksuse valiku

Ainuüksi ümbrise paksus ei lahenda fosforhappe läga probleemi. On tõestatud kolm täiendavat lahendust, mis pikendavad küttekeha eluiga kauemaks, kui ainuüksi paksuse põhjal ennustatakse. 1. Voolu juhtimine: soojendustorude joondamine läga vooluga paralleelselt, mitte risti, vähendab lööginurki ja erosioonimäära 40-60%. Teiseks, pinna kõvenemine: 316 roostevaba terase pinna nitreerimine või boroonimine tõstab kõvaduse 200 HV-lt 800-1000 HV-ni, vähendades oluliselt erosioonikiirust ilma soojustakistust suurendamata. Kõvema pinnaga 1,5 mm toru võib olla kaks korda vastupidavam kui 2,5 mm toru ilma sitke pinnata. Kolmandaks hoiab katlakivi haldamine, mille puhul happe temperatuur hoitakse alla 75 kraadi või katlakivi inhibiitorite, näiteks polüakrülaatide kasutamine, ümbrise pind allpool kaltsiumsulfaadi sadestumisläve, nii et on võimalik kasutada õhemaid ja termiliselt tõhusamaid seinu. Mõned tehased on kasutanud 1,2 mm seinasoojendeid koos pinnakõvenduse ja katlakivi pärssimisega viis või enam aastat ilma probleemideta, samas kui töötlemata 2,5 mm seinaküttekehad ebaõnnestusid katlakivist tingitud ülekuumenemise tõttu.

Järeldus: töötingimustega seletatav jõudluse erinevus

Pikaajaline jõudluse erinevus 1,5–2,5 mm seinapaksuse vahel 316 roostevabast terasest küttekeha puhul 10% fosforhappe toorlobris 80 kraadi juures ei ole paksema seina jaoks lihtne eelis. 2,5-mm sein annab 1,5–2,0 korda pikema erosiooni-korrosiooniga tööea pideva, madala{13}}katlakiviga teenuse korral, kuid kannatab kõrgemate pinnatemperatuuride tõttu, mis suurendab katlakivi teket, ja väiksema termilise väsimuse tõttu. Seinal on suurepärane soojuslik jõudlus, väiksem soojuslik reserv ja pikem soojuslik tööiga, kuid väheneb katlakivi erosioon{18}}korrosioon. Enamiku fosforhappetaimede puhul on optimaalne paksus nende kahe äärmuse vahel, umbes 1,8-2,0 mm, kusjuures rakendatakse pinna kõvenemist ja katlakivi kontrolli. Kui hea katlakivikontrolli ja pideva tööga tehas on sunnitud valima nende kahe vahel, tuleks valida 2,5 mm sein, et maksimeerida erosiooni-korrosiooni eluiga. Partiirežiimil töötavate, sagedase termilise tsükli või piiratud katlakivi eemaldamise võimalusega seadmete puhul valitakse seinapaksus 1,5 mm, et vältida katlakivi tekkimist ja termilise väsimuse tõrkeid. Pinnatöötluse vajadused ja voolu orientatsioon peaksid olema spetsifikatsioonis ette nähtud, muutes lihtsa paksuse valiku täisväärtuslikuks läga käitlemise küttekehaks.