Hva er den langsiktige ytelsesforskjellen mellom 1,5 mm og 2,5 mm kappetykkelse for 316 varmeovner i rustfritt stål i 10 % fosforsyreslurry ved 80 grader med slipende krystaller

Den grunnleggende avveiningen- i tjenesten for fosforsyreproduksjon

Fosforsyreproduksjon i våt-prosess produserer en råslurry av 10 % fosforsyre i en blanding av kalsiumsulfathemihydrat eller dihydratkrystaller, ureagerte fosfatbergartpartikler og forskjellige metalliske forurensninger. Dette er et svært aggressivt miljø på grunn av kombinasjonen av et mildt surt medium (pH 1-2) og faste partikler som eroderer det passive belegget på 316 rustfritt stål. Elektriske varmeovner i fosforsyrekonsentratorer og angrepstanker utsettes for kombinert kjemisk korrosjon og mekanisk slitasje. Beslutningen om kappetykkelse , 1,5 mm versus 2,5 mm , er en langsiktig ytelsesberegning der det ekstra metallet i den tykkere veggen må balanseres mot de termiske og mekaniske implikasjonene av å kjøre med et større tverrsnitt. I motsetning til ren væsketjeneste der den eneste bekymringen er korrosjon, innebærer denne applikasjonen overvåking av to samvirkende nedbrytningsmekanismer på tvers av flerårige kampanjer.

Erosjon-Korrosjonssynergismeavhengighet av tykkelse

Den jevne korrosjonshastigheten til 316 rustfritt stål i ren fosforsyre ved 80 grader er ca. 0,1 -0,3 mm/år avhengig av mengden fluor og kloridurenheter i råsyren. Ved å tilsette slipende krystaller (kalsiumsulfathemihydratkrystaller) vanligvis 10-100 mikron i størrelse og med en Mohs-hardhet på 2,5-3,0, bytter nedbrytningsmekanismen fra ren korrosjon til erosjonskorrosjon. Det beskyttende passive belegget fjernes kontinuerlig ved at de støtende partiklene utsetter ferskt metall for syren. Erosjons{21}}korrosjonshastigheten er ikke bare summen av den rene erosjonshastigheten og den rene korrosjonshastigheten. I stedet finner en synergisk effekt sted, hvor korrosjonshastigheten til det kontinuerlig de{29}}passiverte metallet er vesentlig større enn korrosjonshastigheten til en stabil passiv overflate. Publiserte resultater for 316 rustfritt stål i 10 % fosforsyre med 5-10 % partikler ved 80 grader og en slurryhastighet på 1,5 m/s viser erosjon-korrosjonshastigheter på 0,6-1,2 mm per år, som er tre til seks ganger ren korrosjonshastighet. Beregnet tid til perforering under den kontinuerlige erosjonskorrosjon er 1,3-2,5 år for 1,5 mm veggtykkelse. For 2,5 mm vegg er beregnet tid 2,1–4,2 år. Imidlertid forutsetter disse beregningene en konstant erosjon-korrosjonshastighet. I virkeligheten, når veggen blir tynnere, endres den lokale spenningsfordelingen på overflaten og erosjonshastigheten kan øke fordi en tynnere vegg bøyer seg mer ved partikkelkontakt, noe som fører til større lokale spenninger som lettere sprekker overflaten. Langtidsytelsesstatistikk fra fosforsyreanlegg viser at erosjonskorrosjonshastigheten generelt øker med 20-40 % når veggtykkelsen er mindre enn 1,0 mm. Så 2,5 mm veggen starter med mer metall og tar lengre tid å komme inn i dette akselerasjonsregimet.

Mekanisk rolle for tykkelse av vegger og krystalleffektenergi

De slipende krystallene i råfosforsyreslurryen glir ikke bare over overflaten, men treffer den fra forskjellige vinkler avhengig av strømningsmønsteret rundt varmeren. Ved kryss-strøm treffer partikler i slurryen forkanten av et sylindrisk varmerør i nesten normale vinkler (høy slagenergi, størst erosjon) og sidene i visningsvinkler (lavere erosjon). Slagenergien til en kalsiumsulfatkrystall som beveger seg med 1,5 m/s er 0,5 til 2 mikrojoule avhengig av partikkelstørrelsen. Denne energien er nok til å produsere mikro-plastisk deformasjon på overflaten av 316 rustfritt stål. Dybden av det plastisk forvrengte laget fra hvert treff er vanligvis 1-5 mikron. Den totale fjerningen av materiale oppnås ved en utmattingsprosess med et stort antall slag: gjentatte slag gir arbeidsherding, bruddinitiering og til slutt separasjon av små metallstykker. Materialfjerningshastigheten er omvendt relatert til metallets hardhet og avhenger også av kapasiteten til det underliggende bulkmaterialet til å absorbere slagenergi uten å knuse. En tykkere vegg fører til et større elastisk fundament under den støtde overflaten. For 316 rustfritt stål er elastisitetsmodulen 193 GPa og rørveggens stivhet ved bøyning er proporsjonal med terningen av tykkelsen for en gitt ytre diameter. En veggtykkelse på 2,5 mm har en bøyestivhet på omtrent 4,6 ganger den for en veggtykkelse på 1,5 mm (2,5³/1,5³=4.6). Den økte stivheten reduserer den dynamiske avbøyningen ved påvirkning av partikler, og reduserer dermed toppkontaktstress og erosjonshastighet. Feltobservasjoner i fosforholdige anleggsvarmere indikerer at erosjonsratene til 2,5 mm veggrør på forkant ofte er 20-30 % mindre enn 1,5 mm veggrør under samme slurryforhold utelukkende på grunn av påvirkning av stivhet.

Termisk ytelsesstraff for tykkere vegg ved tilgroing

Fosforsyre-råslurry er velkjent for å forurense. Kalsiumsulfatkrystaller har en tendens til å samle seg på varme overflater. Dette fører til at det dannes en avleiring som isolerer røret og begrenser varmeoverføringen. Utviklingshastigheten av skala er avhengig av overflatetemperaturen i forhold til løselighetskurven til kalsiumsulfat. Når kappetemperaturen er over 90-95 grader, synker løseligheten til kalsiumsulfathemihydrat og utfellingen akselereres. En 1,5 mm veggvarmer med en watttetthet på 6 W/cm2 i 80 graders bulksyre har en manteloverflatetemperatur på omtrent 95-100 grader, ved terskelen for akselerert skalering. Ved samme watttetthet fører en vegg på 2,5 mm til en kappetemperatur på 110-120C, godt innenfor skaleringsområdet. 2,5 mm-veggrøret vil bygge opp kalk- raskere og tykkere enn 1,5 mm-røret. Når kalklaget er på plass, legger det til sin egen termiske motstand, som presser kappetemperaturen enda høyere i en selvforsterkende syklus. Ekvivalent veggtykkelse på 4,0 mm av den effektive termiske motstanden til en vegg på 2,5 mm med 0,5 mm kalsiumsulfatbelegg. Denne skalaen hemmer ikke bare varmetransport, men produserer også sprekker under bulksyrekjemien som blir lokalt konsentrert og akselererer korrosjon. Derfor er forskjellen i langtidsytelse for de to tykkelsene helt avhengig av evnen til å justere skalaen. 2,5 mm veggen kan oppnå sin forlengede erosjon-korrosjonslevetid i anlegg ved hjelp av mekanisk rengjøring (spinnere eller skraper) eller kjemisk avkalking. 1,5 mm-veggen kan faktisk fungere bedre i planter der det tillates å samle seg kalk. Den lavere overflatetemperaturen forsinker beleggdannelse, og når belegg dannes, opprettholder den tynnere bunnveggen høyere varmefluks gjennom det kombinerte vegg-pluss-skala-laget.

Termisk sykling og differensielle ekspansjonsspenninger

Fosforsyrekonsentratorene kjøres i batch-sykluser eller med intermitterende mating, og varmeren går termisk fra omgivelsestemperatur til 80 grader og tilbake. Hver oppvarmingssyklus forårsaker differensielle ekspansjonsspenninger mellom motstandstråden, magnesiumoksidisolasjonen og kappen av rustfritt stål. Siden en tykkere seksjon gir mer motstand mot termisk ekspansjon og sammentrekning, er amplituden til disse spenningene proporsjonal med tykkelsen på kappen. Ekspansjonskoeffisienten for 316 rustfritt stål for en temperaturforskyvning på 80 grader er omtrent 0,1 % (16 × 10-6/ grad x 80 grader=0.00128). For et rør med 12 mm ytre diameter er denne utvidelsen 0,015 mm. En 1,5 mm vegg kan lettere håndtere ekspansjonen ved elastisk deformasjon enn en 2,5 mm vegg. Den tykkere veggen utsettes for større sykliske trykk ved kontakten mellom kappen og magnesiumoksidisolasjonen over tusenvis av sykluser. Dette kan føre til sprekker i isolasjonen som reduserer dielektrisk styrke og til slutt fører til elektrisk feil. Langsiktige ytelsesdata fra fosforanlegg indikerer at 2,5 mm veggvarmere har en høyere grad av elektrisk feil (isolasjonsbrudd) enn 1,5 mm veggvarmere etter 3-5 års bruk, selv når 2,5 mm veggen fortsatt har passende metalltykkelse igjen. Den tykkere veggen ofrer korrosjon-erosjonslevetiden for termisk utmattingslevetid.

Sammendrag for sammenligning av langsiktig-ytelse

Ytelse Metrisk 1,5 mm kappe 2,5 mm kappe
Erosjon-korrosjonshastighet med 1,5 m/s slurry 0,6-1,2 mm/år 0,5-0,9 mm/år (20-30 % lavere på grunn av stivhet)
Tid til perforering (estimert) 1,3 til 2,5 år 2,8 til 5,0 år
Manteltemperatur på 6 W/cm² 95-100 grader 110-120 grader
Skaleringshastighet (kalsiumsulfat)Moderat (terskelregime) Høy (akselerert regime)
Termisk utmattingslevetid (sykluser til isolasjonsfeil) 4000-7000 sykluser 8000-12000 sykluser
Typisk levetid rapportert for fosforholdige anlegg er 2-4 år (skalabegrenset) 3-5 år (termisk tretthet begrenset)
Best bruk Anlegg med avkalkingsevne, batchdrift Løpende service med lite rom for skalering
Praktiske strategier for livstidsforlengelse utover valg av tykkelse

Manteltykkelse alene vil ikke løse problemet med fosforsyreoppslemming. Tre komplementære løsninger har blitt demonstrert for å forlenge varmerens levetid utover det som ville bli forutsagt fra tykkelsen alene. 1. Strømningsstyring: Justering av varmerørene parallelt med slurrystrømmen i stedet for vinkelrett reduserer slagvinkler og erosjonshastigheter med 40-60 %. For det andre, overflateherding: Nitrering eller borering av overflaten av 316 rustfritt stål øker hardheten fra 200 HV til 800-1000 HV, noe som reduserer erosjonshastigheten betraktelig uten å øke den termiske motstanden. Et 1,5 mm rør med hardere overflate kan være dobbelt så slitesterkt som et 2,5 mm rør uten tøff overflate. For det tredje holder kalkavleiring, med bulksyretemperaturen holdt under 75 grader eller bruk av avleiringshemmere som polyakrylater, kappeoverflaten under kalsiumsulfatutfellingsterskelen slik at bruk av tynnere, mer termisk effektive vegger er mulig. Noen anlegg har brukt 1,2 mm veggvarmere med overflateherding og avleiringshemming i fem eller flere år uten problemer, mens ubehandlede 2,5 mm veggvarmere sviktet på grunn av kalkindusert overoppheting.

Konklusjon: Ytelsesforskjell forklart av driftsforhold

Den langsiktige ytelsesforskjellen mellom 1,5 mm og 2,5 mm veggtykkelse for 316 varmeovner i rustfritt stål i 10 % fosforsyreslurry ved 80 grader er ikke en enkel fordel for den tykkere veggen. Veggen på 2,5-mm gir 1,5 til 2,0 ganger erosjons-korrosjonslevetiden ved kontinuerlig, lav-skaleringstjeneste, men lider av høyere overflatetemperaturer som øker skaleringshastigheten og av redusert termisk utmattingslevetid. 1.5mm veggen har overlegen termisk ytelse, redusert termisk levetid, mindre holdbarhet, mindre fettevne, metallreserve for erosjon-korrosjon. For de fleste fosforsyreplanter er den optimale tykkelsen mellom disse to ytterpunktene, rundt 1,8-2,0 mm, med overflateherding og kalkkontroll påført. Hvis et anlegg med god skalakontroll og kontinuerlig drift tvinges til å velge mellom de to, bør 2,5 mm veggen velges for å maksimere erosjon-korrosjonslevetiden. For anlegg som opererer i batch-modus, med hyppige termiske sykluser eller begrensede avkalkingsmuligheter, skal en veggtykkelse på 1,5 mm velges for å unngå avleiring og termisk utmattingsfeil. Overflatebehandlingsbehov og strømningsorientering bør være gitt på spesifikasjonen, og gjør et enkelt tykkelsesvalg til en fullverdig slamhåndteringsvarmerdesign.