อะไรคือความแตกต่างด้านประสิทธิภาพในระยะยาว-ระหว่างความหนาของเปลือก 1.5 มม. และ 2.5 มม. สำหรับเครื่องทำความร้อนสแตนเลส 316 ในสารละลายกรดฟอสฟอริก 10% ที่ 80 องศาพร้อมผลึกที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

การแลกเปลี่ยนขั้นพื้นฐาน-ในการให้บริการการผลิตกรดฟอสฟอริก

การผลิตกรดฟอสฟอริกในกระบวนการ-แบบเปียกทำให้เกิดสารละลายหยาบของกรดฟอสฟอริก 10% ในส่วนผสมของแคลเซียมซัลเฟตเฮมิไฮเดรตหรือผลึกไดไฮเดรต อนุภาคหินฟอสเฟตที่ไม่ทำปฏิกิริยา และสิ่งปนเปื้อนที่เป็นโลหะชนิดต่างๆ นี่เป็นสภาพแวดล้อมที่รุนแรงมากเนื่องจากมีการรวมกันของตัวกลางที่เป็นกรดอ่อน (pH 1-2) และอนุภาคของแข็ง ซึ่งกัดกร่อนการเคลือบแบบพาสซีฟบนสแตนเลส 316 เครื่องทำความร้อนแบบจุ่มไฟฟ้าในตัวสร้างกรดฟอสฟอริกและถังโจมตีต้องเผชิญกับการกัดกร่อนทางเคมีและการเสียดสีทางกลร่วมกัน การตัดสินใจเลือกความหนาของเปลือก 1.5 มม. เทียบกับ 2.5 มม. เป็นการคำนวณประสิทธิภาพในระยะยาว โดยที่โลหะเพิ่มเติมในผนังที่หนากว่าจะต้องสมดุลกับผลกระทบทางความร้อนและทางกลของการวิ่งด้วยหน้าตัดที่ใหญ่กว่า- แตกต่างจากบริการของเหลวสะอาดที่ต้องกังวลเพียงอย่างเดียวคือการกัดกร่อน แอปพลิเคชันนี้เกี่ยวข้องกับการตรวจสอบกลไกการย่อยสลายแบบโต้ตอบสองกลไกในแคมเปญหลายปี

การกัดเซาะ-การทำงานร่วมกันของการกัดกร่อนขึ้นอยู่กับความหนา

อัตราการกัดกร่อนสม่ำเสมอของสแตนเลส 316 ในกรดฟอสฟอริกที่สะอาดที่ 80 องศาคือประมาณ 0.1-0.3 มม./ปี ขึ้นอยู่กับปริมาณฟลูออไรด์และคลอไรด์เจือปนในกรดดิบ ด้วยการเติมผลึกที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (ผลึกแคลเซียมซัลเฟตเฮมิไฮเดรต) โดยทั่วไปจะมีขนาด 10-100 ไมครอน และมีความแข็ง Mohs อยู่ที่ 2.5-3.0 กลไกการย่อยสลายจะเปลี่ยนจากการกัดกร่อนแบบบริสุทธิ์ไปสู่การกัดกร่อน- การเคลือบแบบพาสซีฟป้องกันจะถูกกำจัดออกอย่างต่อเนื่องโดยอนุภาคที่กระแทกทำให้โลหะสดสัมผัสกับกรด อัตราการกัดกร่อน-ไม่ได้เป็นเพียงผลรวมของอัตราการกัดเซาะบริสุทธิ์และอัตราการกัดกร่อนบริสุทธิ์เท่านั้น แต่กลับเกิดผลการทำงานร่วมกันขึ้น โดยที่อัตราการกัดกร่อนของโลหะที่ถูกเดอพาสซีฟ-อย่างต่อเนื่องนั้นมากกว่าอัตราการกัดกร่อนของพื้นผิวพาสซีฟที่เสถียรอย่างมาก ผลลัพธ์ที่เผยแพร่สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ในกรดฟอสฟอริก 10% ที่มีอนุภาค 5-10% ที่ 80 องศา และความเร็วของสารละลาย 1.5 เมตร/วินาที แสดงอัตราการกัดเซาะ-การกัดกร่อน 0.6-1.2 มม. ต่อปี ซึ่งเป็นสามถึงหกเท่าของอัตราการกัดกร่อนบริสุทธิ์ ระยะเวลาคำนวณการเจาะภายใต้การกัดเซาะ-การกัดกร่อนอย่างต่อเนื่องคือ 1.3-2.5 ปี สำหรับความหนาของผนัง 1.5 มม. สำหรับผนัง 2.5 มม. เวลาที่คำนวณคือ 2.1–4.2 ปี อย่างไรก็ตาม การคำนวณเหล่านี้จะถือว่าอัตราการกัดเซาะ-การกัดกร่อนคงที่ ในความเป็นจริง เมื่อผนังบางลง การกระจายความเค้นเฉพาะที่ที่พื้นผิวเปลี่ยนแปลงและอัตราการกัดเซาะอาจเพิ่มขึ้น เนื่องจากผนังที่บางกว่าจะเบนกลับมากขึ้นเมื่อสัมผัสกับอนุภาค นำไปสู่ความเค้นเฉพาะที่ที่ใหญ่ขึ้นซึ่งทำให้พื้นผิวแตกได้ง่ายขึ้น สถิติประสิทธิภาพในระยะยาวจากโรงงานกรดฟอสฟอริกแสดงให้เห็นว่าอัตราการกัดเซาะ-การกัดกร่อนโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น 20-40% เมื่อความหนาของผนังน้อยกว่า 1.0 มม. ดังนั้นผนังขนาด 2.5 มม. จึงเริ่มต้นด้วยโลหะมากขึ้นและใช้เวลานานกว่าจะเข้าสู่โหมดการเร่งความเร็วนี้

บทบาททางกลของความหนาของผนังและพลังงานกระแทกของคริสตัล

ผลึกที่มีฤทธิ์กัดกร่อนในสารละลายกรดฟอสฟอริกดิบไม่เพียงแต่เลื่อนผ่านพื้นผิวเท่านั้น แต่ยังกระทบจากมุมที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับรูปแบบการไหลของเครื่องทำความร้อน ในการไหลข้าม- อนุภาคในสารละลายจะชนขอบนำของท่อทำความร้อนทรงกระบอกที่มุมเกือบปกติ (พลังงานกระแทกสูง การกัดเซาะมากที่สุด) และด้านข้างที่มุมชำเลือง (การกัดเซาะต่ำกว่า) พลังงานกระแทกของผลึกแคลเซียมซัลเฟตที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1.5 เมตรต่อวินาทีคือ 0.5 ถึง 2 ไมโครจูล ขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค พลังงานนี้เพียงพอที่จะทำให้เกิดการเสียรูปพลาสติกระดับไมโคร-บนพื้นผิวของสแตนเลส 316 ความลึกของชั้นพลาสติกที่บิดเบี้ยวจากการชนแต่ละครั้งโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 1-5 ไมครอน การกำจัดวัสดุทั้งหมดทำได้โดยกระบวนการล้าที่มีการกระแทกจำนวนมาก การกระแทกซ้ำๆ ทำให้เกิดการแข็งตัวของงาน การแตกหัก และในที่สุดการแยกชิ้นส่วนโลหะขนาดเล็ก อัตราการขจัดวัสดุจะสัมพันธ์ผกผันกับความแข็งของโลหะ และยังขึ้นอยู่กับความสามารถของวัสดุจำนวนมากที่อยู่ด้านล่างในการดูดซับพลังงานกระแทกโดยไม่ทำให้แตกละเอียด ผนังที่หนาขึ้นจะทำให้มีรากฐานที่ยืดหยุ่นมากขึ้นภายใต้พื้นผิวที่ถูกกระแทก สำหรับเหล็กสแตนเลส 316 โมดูลัสยืดหยุ่นคือ 193 GPa และความแข็งของผนังท่อในการดัดงอจะเป็นสัดส่วนกับลูกบาศก์ของความหนาสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกที่กำหนด ความหนาของผนัง 2.5 มม. มีความแข็งในการดัดงอประมาณ 4.6 เท่าของความหนาของผนัง 1.5 มม. (2.5³/1.5³=4.6) ความแข็งที่เพิ่มขึ้นจะลดการโก่งตัวแบบไดนามิกเมื่อกระทบกับอนุภาค และด้วยเหตุนี้ จึงช่วยลดความเค้นเมื่อสัมผัสสูงสุดและอัตราการกัดเซาะ การสังเกตภาคสนามในเครื่องทำความร้อนในโรงงานฟอสฟอริกระบุว่าอัตราการกัดเซาะของท่อผนัง 2.5 มม. ที่ขอบนำมักจะน้อยกว่าท่อผนัง 1.5 มม. 20-30% ภายใต้สภาวะสารละลายเดียวกัน เนื่องจากอิทธิพลของความแข็งเท่านั้น

การปรับประสิทธิภาพการระบายความร้อนของผนังที่หนาขึ้นในบริการที่เปรอะเปื้อน

สารละลายดิบของกรดฟอสฟอริกเป็นที่ทราบกันดีว่าก่อให้เกิดมลพิษ ผลึกแคลเซียมซัลเฟตมีแนวโน้มที่จะสะสมบนพื้นผิวที่ร้อน ซึ่งทำให้เกิดตะกรันที่หุ้มท่อและจำกัดการถ่ายเทความร้อน อัตราการพัฒนาขนาดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิพื้นผิวสัมพันธ์กับกราฟความสามารถในการละลายของแคลเซียมซัลเฟต เมื่ออุณหภูมิของฝักสูงกว่า 90-95 องศา ความสามารถในการละลายของแคลเซียมซัลเฟตเฮมิไฮเดรตจะลดลงและการตกตะกอนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เครื่องทำความร้อนติดผนังขนาด 1.5 มม. ที่มีความหนาแน่นวัตต์ 6 วัตต์/ซม.2 ในกรดปริมาณ 80 องศา มีอุณหภูมิพื้นผิวของเปลือกประมาณ 95-100 องศา ที่เกณฑ์ขั้นต่ำสำหรับการปรับขนาดแบบเร่ง ที่ความหนาแน่นวัตต์เท่ากัน ผนัง 2.5 มม. ทำให้อุณหภูมิของปลอกอยู่ที่ 110-120C ซึ่งอยู่ในช่วงการปรับสเกล ท่อติดผนังขนาด 2.5 มม. จะมีการสร้างตะกรัน-ได้เร็วกว่าและหนากว่าท่อขนาด 1.5 มม. เมื่อชั้นสเกลเข้าที่แล้ว มันจะเพิ่มความต้านทานความร้อนของมันเอง ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของปลอกสเกลสูงขึ้นไปอีกใน-วงจรการเสริมแรงด้วยตนเอง ความหนาของผนังเทียบเท่า 4.0 มม. ของความต้านทานความร้อนที่มีประสิทธิภาพของผนัง 2.5 มม. พร้อมระดับแคลเซียมซัลเฟต 0.5 มม. มาตราส่วนนี้ไม่เพียงแต่ยับยั้งการถ่ายเทความร้อนเท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดรอยแยกภายใต้เคมีกรดปริมาณมากซึ่งมีความเข้มข้นเฉพาะที่และเร่งการกัดกร่อน ดังนั้นความแตกต่างในประสิทธิภาพในระยะยาวของความหนาทั้งสองจึงขึ้นอยู่กับความสามารถในการปรับขนาด ผนังขนาด 2.5 มม. สามารถยืดอายุการกัดเซาะและการกัดกร่อนในโรงงานได้ยาวนานโดยใช้การทำความสะอาดเชิงกล (เครื่องปั่นด้ายหรือเครื่องขูด) หรือการขจัดตะกรันด้วยสารเคมี ผนังหนา 1.5 มม. อาจทำงานได้ดีกว่าในพืชที่อนุญาตให้สะสมตะกรันได้ อุณหภูมิพื้นผิวที่ต่ำกว่าจะทำให้การก่อตัวของตะกรันล่าช้า และเมื่อตะกรันเกิดขึ้น ผนังฐานที่บางกว่าจะคงฟลักซ์ความร้อนที่สูงขึ้นผ่านชั้นผนังบวกตะกรันที่รวมกัน

การปั่นจักรยานด้วยความร้อนและความเครียดการขยายตัวแบบดิฟเฟอเรนเชียล

หัวสร้างกรดฟอสฟอริกทำงานเป็นรอบแบทช์หรือป้อนเป็นช่วงๆ และเครื่องทำความร้อนจะถูกหมุนเวียนด้วยความร้อนจากสภาพแวดล้อมโดยรอบถึง 80 องศาและด้านหลัง รอบการทำความร้อนแต่ละรอบทำให้เกิดความตึงเครียดในการขยายตัวที่แตกต่างกันระหว่างลวดต้านทาน ฉนวนแมกนีเซียมออกไซด์ และปลอกสแตนเลส เนื่องจากส่วนที่หนากว่าจะให้ความต้านทานต่อการขยายตัวและการหดตัวจากความร้อนมากกว่า แอมพลิจูดของความเค้นเหล่านี้จึงเป็นสัดส่วนกับความหนาของปลอก ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของเหล็กกล้าไร้สนิม 316 สำหรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ 80 องศาคือประมาณ 0.1% (16 × 10-6/ องศา x 80 องศา=0.00128) สำหรับท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 12 มม. การขยายตัวนี้จะอยู่ที่ 0.015 มม. ผนังขนาด 1.5 มม. อาจรองรับการขยายตัวโดยการเสียรูปแบบยืดหยุ่นได้ง่ายกว่าผนังขนาด 2.5 มม. ผนังที่หนากว่าจะอยู่ภายใต้แรงกดดันแบบวงจรที่มากขึ้นเมื่อสัมผัสกันระหว่างเปลือกและฉนวนแมกนีเซียมออกไซด์ตลอดหลายพันรอบ สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การแตกร้าวของฉนวนซึ่งทำให้ความเป็นฉนวนลดลงและนำไปสู่ความล้มเหลวทางไฟฟ้าในที่สุด ข้อมูลประสิทธิภาพระยะยาว-จากโรงงานฟอสฟอริกระบุว่าเครื่องทำความร้อนผนัง 2.5 มม. มีอัตราความล้มเหลวทางไฟฟ้า (การพังทลายของฉนวน) สูงกว่าเครื่องทำความร้อนผนัง 1.5 มม. หลังจากใช้งานไป 3-5 ปี แม้ว่าผนัง 2.5 มม. ยังมีความหนาของโลหะที่เหมาะสมอยู่ก็ตาม ผนังที่หนาขึ้นจะเสียสละอายุการกัดกร่อนและการกัดเซาะเพื่ออายุความล้าจากความร้อน

บทคัดย่อการเปรียบเทียบประสิทธิภาพระยะยาว-

ประสิทธิภาพเมตริก ปลอก 1.5 มม. ปลอก 2.5 มม
การกัดเซาะ-อัตราการกัดกร่อนด้วยสารละลาย 1.5 ม./วินาที 0.6-1.2 มม./ปี 0.5-0.9 มม./ปี (ลดลง 20-30% เนื่องจากความแข็ง)
ระยะเวลาในการเจาะ (โดยประมาณ) 1.3 ถึง 2.5 ปี 2.8 ถึง 5.0 ปี
อุณหภูมิเปลือกที่ 6 วัตต์/ซม.² 95-100 องศา 110-120 องศา
อัตราการปรับขนาด (แคลเซียมซัลเฟต) ปานกลาง (เกณฑ์เกณฑ์) สูง (ระบอบเร่ง)
อายุความล้าจากความร้อน (รอบจนกระทั่งฉนวนล้มเหลว) 4000-7000 รอบ 8000-12000 รอบ
อายุการใช้งานโดยทั่วไปที่รายงานสำหรับพืชฟอสฟอริกคือ 2-4 ปี (จำกัดขนาด) 3-5 ปี (จำกัดความล้าจากความร้อน)
ใช้งานได้ดีที่สุด พืชที่มีความสามารถในการขจัดตะกรัน การทำงานเป็นชุด บริการต่อเนื่องโดยมีพื้นที่จำกัดเล็กน้อย
กลยุทธ์การปฏิบัติเพื่อยืดอายุการใช้งานนอกเหนือจากการเลือกความหนา

ความหนาของเปลือกเพียงอย่างเดียวไม่สามารถแก้ไขปัญหาสารละลายกรดฟอสฟอริกได้ มีการสาธิตวิธีแก้ปัญหาเสริมสามวิธีเพื่อยืดอายุเครื่องทำความร้อนเกินกว่าที่คาดการณ์ได้จากความหนาเพียงอย่างเดียว. 1. การจัดการการไหล: การจัดแนวท่อเครื่องทำความร้อนให้ขนานกับการไหลของสารละลายแทนที่จะตั้งฉากจะช่วยลดมุมกระแทกและอัตราการกัดเซาะลง 40-60% ประการที่สอง การชุบแข็งพื้นผิว: การทำไนไตรดิ้งหรือโบรอนไนซ์บนพื้นผิวของเหล็กสแตนเลส 316 จะเพิ่มความแข็งจาก 200 HV เป็น 800-1,000 HV ซึ่งช่วยลดอัตราการกัดเซาะได้อย่างมากโดยไม่เพิ่มความต้านทานความร้อน ท่อขนาด 1.5 มม. ที่มีพื้นผิวแข็งสามารถทนทานเป็นสองเท่าของท่อขนาด 2.5 มม. ที่ไม่มีพื้นผิวแข็ง ประการที่สาม การจัดการตะกรันโดยรักษาอุณหภูมิกรดปริมาณมากให้ต่ำกว่า 75 องศา หรือใช้สารยับยั้งตะกรัน เช่น โพลีอะคริเลต จะทำให้พื้นผิวของเปลือกหุ้มต่ำกว่าเกณฑ์การตกตะกอนของแคลเซียมซัลเฟต ดังนั้นจึงสามารถใช้ผนังที่บางลงและมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนมากกว่าได้ โรงงานบางแห่งใช้เครื่องทำความร้อนผนังขนาด 1.2 มม. ที่มีการชุบแข็งพื้นผิวและการยับยั้งตะกรันเป็นเวลาห้าปีหรือมากกว่านั้นโดยไม่มีปัญหา ในขณะที่เครื่องทำความร้อนผนังขนาด 2.5 มม. ที่ไม่ผ่านการบำบัดล้มเหลวเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปที่เกิดจากตะกรัน

สรุป: ความแตกต่างของประสิทธิภาพอธิบายโดยสภาพการใช้งาน

ความแตกต่างด้านประสิทธิภาพระยะยาว-ระหว่างความหนาของผนัง 1.5 มม. และ 2.5 มม. สำหรับเครื่องทำความร้อนที่ทำจากเหล็กสแตนเลส 316 ในสารละลายน้ำมันดิบของกรดฟอสฟอริก 10% ที่ 80 องศาไม่ได้เป็นประโยชน์อย่างง่ายๆ สำหรับผนังที่หนากว่า ผนังขนาด 2.5- มม. ให้อายุการกัดกร่อน-การกัดเซาะ 1.5 ถึง 2.0 เท่าในบริการสเกลต่ำ- อย่างต่อเนื่อง แต่ทนทุกข์ทรมานจากอุณหภูมิพื้นผิวที่สูงขึ้นซึ่งทำให้อัตราการสเกลเพิ่มขึ้น และจากอายุความล้าจากความร้อนที่ลดลง . 1.5 ผนังมม. มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่เหนือกว่า แนวโน้มในการปรับสเกลลดลง และอายุความล้าจากความร้อนยาวนานขึ้น แต่มีโลหะสำรองน้อยกว่าสำหรับ การกัดเซาะ-การกัดกร่อน สำหรับพืชที่มีกรดฟอสฟอริกส่วนใหญ่ ความหนาที่เหมาะสมจะอยู่ระหว่างสุดขั้วทั้งสองนี้ ประมาณ 1.8-2.0 มม. โดยมีการชุบแข็งพื้นผิวและการควบคุมขนาด หากโรงงานที่มีการควบคุมขนาดที่ดีและการดำเนินงานอย่างต่อเนื่องถูกบังคับให้เลือกระหว่างทั้งสอง ควรเลือกผนังขนาด 2.5 มม. เพื่อยืดอายุการกัดเซาะและการกัดกร่อนให้สูงสุด สำหรับโรงงานที่ทำงานในโหมดแบทช์ ซึ่งมีการหมุนเวียนด้วยความร้อนบ่อยครั้งหรือความสามารถในการขจัดตะกรันที่จำกัด จะต้องเลือกความหนาของผนัง 1.5 มม. เพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลวในการปรับขนาดและความล้าเนื่องจากความร้อน ความต้องการในการบำบัดพื้นผิวและการวางแนวการไหลควรถูกกำหนดไว้ในข้อมูลจำเพาะ โดยเปลี่ยนการเลือกความหนาอย่างง่ายให้กลายเป็นการออกแบบเครื่องทำความร้อนในการจัดการสารละลายที่เต็มเปี่ยม