Kakšna je dolgoročna-razlika v učinkovitosti med 1,5 mm in 2,5 mm debelino ovoja za grelnike iz nerjavečega jekla 316 v 10-odstotni surovi brozgi fosforne kisline pri 80 stopinjah z abrazivnimi kristali

Osnovni kompromis-v storitvi proizvodnje fosforne kisline

Mokri-proizvodnja fosforne kisline proizvede surovo goščo 10 % fosforne kisline v mešanici kristalov hemihidrata ali dihidrata kalcijevega sulfata, nereagiranih delcev fosfatne kamnine in različnih kovinskih onesnaževalcev. To je zelo agresivno okolje zaradi kombinacije rahlo kislega medija (pH 1-2) in trdnih delcev, ki razjedajo pasivno prevleko na nerjavnem jeklu 316. Električni potopni grelniki v koncentratorjih fosforne kisline in napadalnih rezervoarjih so izpostavljeni kombinirani kemični koroziji in mehanski obrabi. Odločitev o debelini plašča, 1,5 mm v primerjavi z 2,5 mm, je dolgoročni izračun učinkovitosti, kjer je treba dodatno kovino v debelejši steni uravnotežiti s toplotnimi in mehanskimi posledicami delovanja z večjim-prerezom. Za razliko od storitve čistih tekočin, kjer je edina skrb korozija, ta aplikacija vključuje spremljanje dveh medsebojno delujočih mehanizmov razgradnje v večletnih kampanjah.

Odvisnost sinergizma-korozije od debeline

Enakomerna stopnja korozije nerjavečega jekla 316 v čisti fosforni kislini pri 80 stopinjah je približno 0,1-0,3 mm/leto, odvisno od količine nečistoč fluorida in klorida v surovi kislini. Z dodajanjem abrazivnih kristalov (kristalov hemihidrata kalcijevega sulfata), ki so običajno veliki 10-100 mikronov in s trdoto po Mohsovi lestvici 2,5-3,0, mehanizem razgradnje preklopi s čiste korozije na erozijsko-korozijo. Zaščitno pasivno prevleko nenehno odstranjujejo udarni delci, ki izpostavljajo svežo kovino kislini. Stopnja erozije-korozije ni samo vsota stopnje čiste erozije in stopnje čiste korozije. Namesto tega pride do sinergijskega učinka, kjer je stopnja korozije nenehno de-pasivirane kovine bistveno večja od stopnje korozije stabilne pasivne površine. Objavljeni rezultati za nerjavno jeklo 316 v 10 % fosforni kislini s 5-10 % delcev pri 80 stopinjah in hitrosti gnojnice 1,5 m/s kažejo stopnje erozije in korozije 0,6–1,2 mm na leto, kar je tri- do šestkrat več od čiste stopnje korozije. Izračunani čas do perforacije pod kontinuirano erozijsko korozijo je 1,3-2,5 leta za debelino stene 1,5 mm. Za 2,5 mm stene je izračunani čas 2,1–4,2 let. Vendar ti izračuni predvidevajo konstantno stopnjo erozije in korozije. V resnici, ko se stena tanjša, se lokalna porazdelitev napetosti na površini spremeni in stopnja erozije se lahko poveča, ker se tanjša stena bolj upogiba ob stiku z delci, kar vodi do večjih lokalnih napetosti, ki lažje zlomijo površino. Dolgoročni statistični podatki obratov za proizvodnjo fosforne kisline kažejo, da se stopnja erozije in korozije običajno poveča za 20-40 %, če je debelina stene manjša od 1,0 mm. Torej 2,5 mm stena začne z več kovine in traja dlje, da pride v ta režim pospeševanja.

Mehanska vloga debeline sten in energija udarca kristala

Abrazivni kristali v gošči surove fosforne kisline ne samo drsijo po površini, ampak jo zadenejo iz različnih kotov, odvisno od vzorca toka okoli grelnika. Pri navzkrižnem-toku delci v gnojevki zadenejo vodilni rob valjaste grelne cevi pod skoraj običajnimi koti (visoka energija udarca, največja erozija) in stranice pod kotoma strmenja (nižja erozija). Energija udarca kristala kalcijevega sulfata, ki se giblje s hitrostjo 1,5 m/s, je 0,5 do 2 mikrodžula, odvisno od velikosti delcev. Ta energija je dovolj za mikro-plastično deformacijo na površini nerjavečega jekla 316. Globina plastično deformirane plasti od vsakega zadetka je običajno 1-5 mikronov. Popolna odstranitev materiala je dosežena s procesom utrujanja z velikim številom udarcev: ponavljajoči udarci povzročijo delovno utrjevanje, začetek loma in končno ločevanje majhnih kovinskih kosov. Hitrost odstranjevanja materiala je obratno sorazmerna s trdoto kovine in je odvisna tudi od sposobnosti osnovnega razsutega materiala, da absorbira udarno energijo brez razbitja. Debelejša stena vodi do večje elastične podlage pod udarno površino. Za nerjavno jeklo 316 je modul elastičnosti 193 GPa, togost stene cevi pri upogibanju pa je sorazmerna s kocko debeline za dani zunanji premer. Debelina stene 2,5 mm ima upogibno togost približno 4,6-krat večjo od trdnosti stene debeline 1,5 mm (2,5³/1,5³=4.6). Povečana togost zmanjša dinamično deformacijo ob udarcu delcev in s tem zmanjša največjo kontaktno napetost in stopnjo erozije. Opazovanja na terenu v grelnikih fosfornih elektrarn kažejo, da so stopnje erozije cevi s steno 2,5 mm na vodilnem robu pogosto 20-30 % nižje od cevi s steno 1,5 mm pri enakih pogojih gnojevke izključno zaradi vpliva togosti.

Kazen toplotne učinkovitosti debelejše stene pri storitvi obraščanja

Znano je, da surova fosforna kislina onesnažuje okolje. Kristali kalcijevega sulfata se radi nabirajo na vročih površinah. To povzroči nastanek vodnega kamna, ki izolira cev in omejuje prenos toplote. Hitrost nastajanja vodnega kamna je odvisna od površinske temperature glede na krivuljo topnosti kalcijevega sulfata. Ko je temperatura ovoja nad 90-95 stopinj, topnost kalcijevega sulfata hemihidrata pade in njegovo obarjanje se pospeši. 1,5-milimetrski stenski grelnik z gostoto vatov 6 W/cm2 v 80-stopinjski razsuti kislini ima površinsko temperaturo plašča približno 95-100 stopinj, na pragu za pospešeno skaliranje. Pri enaki vatni gostoti 2,5-milimetrska stena vodi do temperature plašča 110-120C, kar je daleč v območju skaliranja. Na 2,5-milimetrski stenski cevi se bo kamen-nabiral hitreje in debelejše kot na 1,5-milimetrski cevi. Ko je plast vodnega kamna nameščena, doda lastno toplotno odpornost, ki dvigne temperaturo ovoja še višje v samo-cikluku samoojačitve. Ekvivalentna debelina stene 4,0 mm efektivne toplotne upornosti stene 2,5 mm z 0,5 mm lestvice kalcijevega sulfata. Ta lestvica ne zavira samo prenosa toplote, ampak tudi povzroči razpoke pod kemijo kisline, ki postanejo lokalno koncentrirane in pospešijo korozijo. Tako je razlika v dolgoročni učinkovitosti obeh debelin bistveno odvisna od zmožnosti prilagajanja lestvice. 2,5-milimetrska stena lahko doseže svojo podaljšano erozijsko-korozijsko življenjsko dobo v obratih z uporabo mehanskega čiščenja (okretnice ali strgala) ali kemičnega odstranjevanja vodnega kamna. 1,5-milimetrska stena morda dejansko deluje bolje v obratih, kjer je dovoljeno zbiranje vodnega kamna. Nižja površinska temperatura upočasni nastajanje vodnega kamna, in ko nastane vodni kamen, tanjša osnovna stena vzdržuje večji toplotni tok skozi kombinirano plast stene in vodnega kamna.

Toplotno kroženje in diferencialne ekspanzijske napetosti

Koncentratorji fosforne kisline delujejo v šaržnih ciklih ali s prekinjenim dovajanjem, grelnik pa se termično ciklično spreminja od okolja do 80 stopinj in nazaj. Vsak cikel segrevanja povzroči diferencialne raztezne napetosti med uporovno žico, izolacijo iz magnezijevega oksida in plaščem iz nerjavečega jekla. Ker debelejši del daje večjo odpornost na toplotno raztezanje in krčenje, je amplituda teh napetosti sorazmerna z debelino ovoja. Koeficient raztezanja za nerjaveče jeklo 316 za temperaturni premik 80 stopinj je približno 0,1 % (16 × 10-6/ stopinja x 80 stopinj=0.00128). Za cev z zunanjim premerom 12 mm je ta raztezek 0,015 mm. Stena debeline 1,5 mm lažje prenese raztezanje zaradi elastične deformacije kot stena debeline 2,5 mm. Debelejša stena je izpostavljena večjim cikličnim pritiskom na stiku med plaščem in izolacijo iz magnezijevega oksida v tisočih ciklih. To lahko privede do razpok na izolaciji, kar zmanjša dielektrično trdnost in končno vodi do električne okvare. Dolgoročni-podatki o delovanju fosfornih obratov kažejo, da imajo 2,5 mm stenski grelniki višjo stopnjo električne okvare (razpad izolacije) kot 1,5 mm stenski grelniki po 3–5 letih delovanja, tudi če ima 2,5 mm stena še vedno ustrezno debelino kovine. Debelejša stena žrtvuje korozijsko-erozijsko življenjsko dobo zaradi toplotne utrujenosti.

Povzetek primerjave-dolgoročne uspešnosti

Metrika zmogljivosti 1,5 mm ovoj 2,5 mm ovoj
Erozija-hitrost korozije pri 1,5 m/s gnojevki 0,6-1,2 mm/leto 0,5-0,9 mm/leto (20-30 % nižja zaradi togosti)
Čas do perforacije (ocenjeno) 1,3 do 2,5 leta 2,8 do 5,0 let
Temperatura plašča pri 6 W/cm² 95-100 stopinj 110-120 stopinj
Stopnja skaliranja (kalcijev sulfat) Zmerna (režim praga) Visoka (pospešen režim)
Življenjska doba toplotne utrujenosti (cikli do odpovedi izolacije) 4000-7000 ciklov 8000-12000 ciklov
Običajna življenjska doba, prijavljena za fosforne obrate, je 2-4 leta (omejena lestvica) 3-5 let (omejena toplotna utrujenost)
Naprave za najboljšo uporabo z zmožnostjo odstranjevanja vodnega kamna, serijsko delovanje Stalna storitev z malo prostora za obseg
Praktične strategije za podaljšanje življenjske dobe poleg izbire debeline

Zgolj debelina ovoja ne bo rešila težave z gnojevko fosforne kisline. Dokazano je bilo, da tri komplementarne rešitve podaljšajo življenjsko dobo grelnika nad tisto, kar bi bilo predvideno samo na podlagi debeline. 1. Upravljanje pretoka: poravnava grelnih cevi vzporedno s tokom gnojnice namesto navpično zmanjša udarne kote in stopnje erozije za 40-60 %. Drugič, površinsko utrjevanje: nitriranje ali boriranje površine nerjavečega jekla 316 poveča trdoto z 200 HV na 800–1000 HV, kar močno zmanjša stopnjo erozije brez povečanja toplotne odpornosti. 1,5 mm cev s tršo površino je lahko dvakrat bolj vzdržljiva kot 2,5 mm cev brez trde površine. Tretjič, upravljanje vodnega kamna, pri čemer se temperatura kisline v razsutem stanju vzdržuje pod 75 stopinj ali uporaba zaviralcev vodnega kamna, kot so poliakrilati, ohranja površino ovoja pod pragom obarjanja kalcijevega sulfata, tako da je možna uporaba tanjših, toplotno učinkovitejših sten. Nekateri obrati so uporabljali 1,2 mm stenske grelnike s površinskim utrjevanjem in zaviranjem vodnega kamna pet ali več let brez težav, medtem ko so neobdelani 2,5 mm stenski grelniki odpovedali zaradi pregrevanja, ki ga povzroča vodni kamen.

Zaključek: Razlika v zmogljivosti, razložena s pogoji delovanja

Dolgoročna-razlika v učinkovitosti med debelino stene 1,5 mm in 2,5 mm za grelnike iz nerjavečega jekla 316 v 10-odstotni surovi brozgi fosforne kisline pri 80 stopinjah ni preprosta prednost za debelejšo steno. 2,5-mm stena zagotavlja 1,5- do 2,0-krat daljšo erozijsko-korozijsko življenjsko dobo pri neprekinjenem nizkem-nastajanju kamenca, vendar trpi zaradi višjih površinskih temperatur, ki povečajo stopnje skaliranja, in zaradi zmanjšane toplotne utrujenosti. 1.5mm stena ima vrhunsko toplotno zmogljivost, zmanjšano nagnjenost k tvorjenju kamenca in daljšo življenjsko dobo zaradi toplotne utrujenosti, vendar manj kovinske rezerve za erozija-korozija. Za večino obratov za proizvodnjo fosforne kisline je optimalna debelina med tema dvema skrajnima vrednostma, približno 1,8-2,0 mm, z uporabo površinskega utrjevanja in nadzora lestvice. Če je naprava z dobrim nadzorom vodnega kamna in neprekinjenim delovanjem prisiljena izbirati med obema, je treba izbrati 2,5 mm steno, da se poveča erozijsko-korozijska življenjska doba. Za obrate, ki delujejo v šaržnem načinu, s pogostimi toplotnimi cikli ali omejenimi zmožnostmi odstranjevanja vodnega kamna, se izbere debelina stene 1,5 mm, da se prepreči nastanek vodnega kamna in poškodbe zaradi toplotne utrujenosti. Potrebe po površinski obdelavi in ​​usmeritev toka bi morale biti podane v specifikaciji, s čimer bi preprosto izbiro debeline spremenili v popolno zasnovo grelnika za obdelavo gnojevke.