Wat is het prestatieverschil op lange termijn tussen 1,5 mm en 2,5 mm manteldikte voor 316 roestvrijstalen verwarmingselementen in ruwe slurry met 10% fosforzuur bij 80 graden met schurende kristallen

De fundamentele afweging-ten dienste van de productie van fosforzuur

Natte- productie van fosforzuur produceert een ruwe slurry van 10% fosforzuur in een mengsel van calciumsulfaathemihydraat- of -dihydraatkristallen, niet-gereageerde fosfaatertsdeeltjes en verschillende metallische verontreinigingen. Dit is een zeer agressieve omgeving vanwege de combinatie van een licht zuur medium (pH 1-2) en vaste deeltjes die de passieve coating op 316 roestvrij staal eroderen. Elektrische dompelaars in fosforzuurconcentrators en aanvalstanks worden onderworpen aan gecombineerde chemische corrosie en mechanische slijtage. De beslissing voor de dikte van de mantel, 1,5 mm versus 2,5 mm, is een prestatieberekening op de lange termijn, waarbij het extra metaal in de dikkere wand moet worden afgewogen tegen de thermische en mechanische implicaties van hardlopen met een grotere doorsnede. In tegenstelling tot schone vloeistoffen, waarbij corrosie de enige zorg is, omvat deze toepassing het monitoren van twee op elkaar inwerkende degradatiemechanismen gedurende meerjarige campagnes.

Erosie-Corrosie Synergisme Afhankelijkheid van dikte

De uniforme corrosiesnelheid van roestvrij staal 316 in schoon fosforzuur bij 80 graden bedraagt ​​ongeveer 0,1-0,3 mm/jaar, afhankelijk van de hoeveelheid fluoride- en chlorideverontreinigingen in het ruwe zuur. Door schurende kristallen (calciumsulfaathemihydraatkristallen) toe te voegen, doorgaans 10-100 micron groot en met een Mohs-hardheid van 2,5-3,0, schakelt het afbraakmechanisme over van pure corrosie naar erosie-corrosie. De beschermende passieve coating wordt continu verwijderd door de botsende deeltjes, waardoor vers metaal aan het zuur wordt blootgesteld. De erosie-corrosiesnelheid is niet alleen de som van de pure erosiesnelheid en de pure corrosiesnelheid. In plaats daarvan vindt er een synergisch effect plaats, waarbij de corrosiesnelheid van het voortdurend gedepassiveerde metaal aanzienlijk groter is dan de corrosiesnelheid van een stabiel passief oppervlak. Gepubliceerde resultaten voor 316 roestvrij staal in 10% fosforzuur met 5-10% deeltjes bij 80 graden en een slurrysnelheid van 1,5 m/s laten erosie-corrosiesnelheden zien van 0,6-1,2 mm per jaar, wat drie tot zes keer de pure corrosiesnelheid is. De berekende tijd tot perforatie onder voortdurende erosie-corrosie is 1,3-2,5 jaar voor een wanddikte van 1,5 mm. Voor muren van 2,5 mm bedraagt ​​de berekende tijd 2,1–4,2 jaar. Deze berekeningen gaan echter uit van een constante erosie-corrosiesnelheid. Naarmate de wand dunner wordt, verandert in werkelijkheid de lokale spanningsverdeling aan het oppervlak en kan de erosiesnelheid toenemen, omdat een dunnere wand meer doorbuigt bij contact met deeltjes, wat leidt tot grotere lokale spanningen die het oppervlak gemakkelijker doen breken. Prestatiestatistieken op lange termijn van fosforzuurfabrieken laten zien dat de erosie-corrosiesnelheid in het algemeen met 20-40% toeneemt wanneer de wanddikte minder dan 1,0 mm bedraagt. De wand van 2,5 mm begint dus met meer metaal en het duurt langer voordat hij in dit versnellingsregime terechtkomt.

Mechanische rol van dikte van muren en kristalimpactenergie

De schurende kristallen in de ruwe fosforzuurslurry glijden niet eenvoudigweg over het oppervlak, maar raken het vanuit verschillende hoeken, afhankelijk van het stromingspatroon rond de verwarmer. Bij dwarsstroming treffen deeltjes in de slurry de voorrand van een cilindrische verwarmingsbuis onder vrijwel normale hoeken (hoge impactenergie, grootste erosie) en de zijkanten onder schuine hoeken (lagere erosie). De impactenergie van een calciumsulfaatkristal dat met een snelheid van 1,5 m/s beweegt, bedraagt ​​0,5 tot 2 microjoule, afhankelijk van de deeltjesgrootte. Deze energie is voldoende om micro-plastische vervorming op het oppervlak van 316 roestvrij staal te veroorzaken. De diepte van de plastisch vervormde laag bij elke treffer is doorgaans 1-5 micron. De totale materiaalverwijdering wordt bereikt door een vermoeiingsproces met een groot aantal stoten: herhaalde stoten veroorzaken verharding, het begin van breuken en uiteindelijk scheiding van kleine metalen stukken. De materiaalverwijderingssnelheid is omgekeerd evenredig met de hardheid van het metaal en hangt ook af van het vermogen van het onderliggende bulkmateriaal om impactenergie te absorberen zonder te versplinteren. Een dikkere wand leidt tot een grotere elastische fundering onder het getroffen oppervlak. Voor roestvrij staal 316 is de elasticiteitsmodulus 193 GPa en is de stijfheid van de buiswand bij buigen evenredig met de derde macht van de dikte voor een gegeven buitendiameter. Een wanddikte van 2,5 mm heeft een buigstijfheid van ongeveer 4,6 maal die van een wanddikte van 1,5 mm (2,5³/1,5³=4.6). De verhoogde stijfheid vermindert de dynamische afbuiging bij impact van deeltjes, en vermindert daardoor de piekcontactspanning en erosiesnelheid. Veldwaarnemingen in fosforhoudende plantenverwarmers geven aan dat de erosiesnelheden van buizen met een wand van 2,5 mm aan de voorrand vaak 20-30% minder zijn dan die van buizen met een wand van 1,5 mm onder dezelfde slurryomstandigheden, uitsluitend als gevolg van de invloed van de stijfheid.

Nadelige gevolgen voor de thermische prestaties van een dikkere wand bij vervuiling

Het is bekend dat ruwe fosforzuurslurry vervuilend is. Calciumsulfaatkristallen hebben de neiging zich op te hopen op hete oppervlakken. Hierdoor ontstaat er kalkaanslag die de buis isoleert en de warmteoverdracht beperkt. De snelheid van de kalkontwikkeling is afhankelijk van de oppervlaktetemperatuur ten opzichte van de oplosbaarheidscurve van calciumsulfaat. Wanneer de temperatuur van de mantel hoger is dan 90-95 graden, neemt de oplosbaarheid van calciumsulfaathemihydraat af en wordt de precipitatie ervan versneld. Een wandverwarmer van 1,5 mm met een wattdichtheid van 6 W/cm2 in bulkzuur van 80 graden heeft een oppervlaktetemperatuur van de mantel van ongeveer 95-100 graden, op de drempel voor versnelde schaalvergroting. Bij dezelfde wattdichtheid leidt een wand van 2,5 mm tot een manteltemperatuur van 110-120C, ruim binnen het schaalbereik. Bij de wandbuis van 2,5 mm zal de kalkaanslag- sneller en dikker zijn dan bij de buis van 1,5 mm. Zodra de kalklaag op zijn plaats zit, voegt deze zijn eigen thermische weerstand toe, waardoor de temperatuur van de mantel nog hoger wordt in een zichzelf versterkende cyclus. De equivalente wanddikte van 4,0 mm van de effectieve thermische weerstand van een wand van 2,5 mm met 0,5 mm calciumsulfaataanslag. Deze aanslag remt niet alleen het warmtetransport, maar veroorzaakt ook scheuren onder de bulkzuurchemie die plaatselijk geconcentreerd worden en de corrosie versnellen. Het verschil in prestaties op de lange termijn van de twee diktes is dus essentieel afhankelijk van het vermogen om de schaal aan te passen. De 2,5 mm dikke wand kan zijn verlengde erosie-corrosielevensduur in planten bereiken door middel van mechanische reiniging (spinners of schrapers) of chemische ontkalking. De wand van 1,5 mm zou zelfs beter kunnen presteren in planten waar kalk zich kan verzamelen. De lagere oppervlaktetemperatuur vertraagt ​​de vorming van kalkaanslag, en wanneer er kalkaanslag ontstaat, handhaaft de dunnere basiswand een hogere warmtestroom door de gecombineerde wand-plus-schaallaag.

Thermische cycli en differentiële uitzettingsspanningen

De fosforzuurconcentrators werken in batchcycli of met intermitterende voeding en de verwarmer wordt thermisch van omgevingstemperatuur naar 80 graden en terug geschakeld. Elke verwarmingscyclus veroorzaakt verschillende uitzettingsspanningen tussen de weerstandsdraad, de magnesiumoxide-isolatie en de roestvrijstalen mantel. Omdat een dikker gedeelte meer weerstand biedt tegen thermische uitzetting en samentrekking, is de amplitude van deze spanningen evenredig met de dikte van de mantel. De uitzettingscoëfficiënt voor roestvrij staal 316 bij een temperatuurverschuiving van 80 graden is ongeveer 0,1% (16 × 10-6/ graad x 80 graden=0.00128). Voor een buis met een buitendiameter van 12 mm bedraagt ​​deze uitzetting 0,015 mm. Een wand van 1,5 mm kan de uitzetting door elastische vervorming gemakkelijker opvangen dan een wand van 2,5 mm. De dikkere wand wordt gedurende duizenden cycli blootgesteld aan grotere cyclische drukken bij het contact tussen de omhulling en de magnesiumoxide-isolatie. Dit kan leiden tot scheuren in de isolatie, wat de diëlektrische sterkte vermindert en uiteindelijk tot elektrische storingen leidt. Prestatiegegevens op de lange-termijn van fosforcentrales geven aan dat wandverwarmers van 2,5 mm na 3-5 jaar dienst een hoger percentage elektrische storingen (isolatiebreuk) vertonen dan wandverwarmers van 1,5 mm, zelfs als de wand van 2,5 mm nog steeds de juiste metaaldikte heeft. De dikkere wand offert de corrosie-erosielevensduur op voor de thermische vermoeiingslevensduur.

Samenvatting van prestatievergelijking op lange termijn

Prestaties Metrisch 1,5 mm schede 2,5 mm schede
Erosie-corrosiesnelheid met 1,5 m/s mest 0,6-1,2 mm/jaar 0,5-0,9 mm/jaar (20-30% lager vanwege stijfheid)
Tijd tot perforatie (geschat) 1,3 tot 2,5 jaar 2,8 tot 5,0 jaar
Manteltemperatuur bij 6 W/cm² 95-100 graden 110-120 graden
Schaalsnelheid (calciumsulfaat)Gemiddeld (drempelregime) Hoog (versneld regime)
Levensduur thermische vermoeiing (cycli tot isolatiefalen) 4000-7000 cycli 8000-12000 cycli
De typische gerapporteerde levensduur voor fosforfabrieken is 2-4 jaar (beperkt op schaal) 3-5 jaar (beperkt door thermische vermoeidheid)
Optimaal gebruik Installaties met ontkalkingsmogelijkheid, batchverwerkingDoorlopende service met weinig ruimte voor kalkaanslag
Praktische strategieën voor een verlenging van de levensduur die verder gaat dan dikteselectie

De dikte van de mantel alleen zal het probleem van de fosforzuurslurry niet oplossen. Er is aangetoond dat drie complementaire oplossingen de levensduur van de verwarmer verlengen boven wat op basis van de dikte alleen zou worden voorspeld.. 1. Stromingsbeheer: door de verwarmingsbuizen evenwijdig aan de slurrystroom uit te lijnen in plaats van loodrecht, worden de impacthoeken en de erosiesnelheid met 40-60% verminderd. Ten tweede, oppervlakteharding: het nitreren of boroniseren van het oppervlak van 316 roestvrij staal verhoogt de hardheid van 200 HV naar 800-1000 HV, waardoor de erosiesnelheid aanzienlijk wordt verminderd zonder de thermische weerstand te vergroten. Een buis van 1,5 mm met een harder oppervlak kan twee keer zo duurzaam zijn als een buis van 2,5 mm zonder taai oppervlak. Ten derde houdt kalkbeheer, waarbij de temperatuur van het bulkzuur onder de 75 graden wordt gehouden of het gebruik van kalkremmers zoals polyacrylaten, het omhulseloppervlak onder de calciumsulfaatprecipitatiedrempel, zodat het gebruik van dunnere, thermisch efficiëntere wanden mogelijk is. Sommige fabrieken hebben vijf jaar of langer zonder problemen 1,2 mm wandverwarmers met oppervlakteverharding en kalkremming gebruikt, terwijl onbehandelde 2,5 mm wandverwarmers het begaven vanwege oververhitting veroorzaakt door kalkaanslag.

Conclusie: prestatieverschil verklaard door bedrijfsomstandigheden

Het prestatieverschil op lange termijn tussen een wanddikte van 1,5 mm en 2,5 mm voor 316 roestvrijstalen verwarmers in ruwe slurry met 10% fosforzuur bij 80 graden is geen eenvoudig voordeel voor de dikkere wand. De wand van 2,5-mm geeft 1,5 tot 2,0 keer de levensduur van erosie-corrosie bij continu gebruik met lage-aanslag, maar heeft te lijden onder hogere oppervlaktetemperaturen die de schaalsnelheid vergroten en van een kortere levensduur bij thermische vermoeiing.. 1.5mm wand heeft superieure thermische prestaties, minder neiging tot kalkaanslag en een langere levensduur bij thermische vermoeiing, maar minder metaalreserve voor erosie-corrosie. Voor de meeste fosforzuurplanten ligt de optimale dikte tussen deze twee uitersten, ongeveer 1,8-2,0 mm, waarbij oppervlakteverharding en kalkcontrole worden toegepast. Als een installatie met goede schaalbeheersing en continu bedrijf gedwongen wordt om tussen deze twee te kiezen, moet de wand van 2,5 mm worden gekozen om de levensduur van erosie-corrosie te maximaliseren. Voor installaties die in batchmodus werken, met frequente thermische cycli of beperkte ontkalkingsmogelijkheden, moet een wanddikte van 1,5 mm worden gekozen om aanslag en thermische vermoeidheidsfouten te voorkomen. De oppervlaktebehandelingsbehoeften en de stromingsoriëntatie moeten een gegeven zijn in de specificatie, waardoor een eenvoudige diktekeuze wordt omgezet in een volwaardig verwarmingsontwerp voor slibbehandeling.