Wat is de maximaal toegestane warmtestroom voor een mantelverwarmer van titaniumklasse 7, ondergedompeld in 15% zwavelzuur bij 90 graden om plaatselijk koken te voorkomen-geïnduceerde corrosie?

Hoge temperaturen bij het gebruik van zwavelzuur vormen een moeilijke omgeving voor titanium verwarmingsapparatuur. Titanium van klasse 7 (Ti-0,15Pd) heeft een goede corrosieweerstand in 15% H2SO4 bij 90 graden Celsius onder gewone onderdompelingsomstandigheden, maar de lokale chemie wordt sterk veranderd door de aanwezigheid van een heet oppervlak. Op het oppervlak van de titaniummantel wordt het plaatselijke koken van de zwavelzuuroplossing gerealiseerd op het metaal{12}}vloeistofgrensvlak wanneer de warmteflux een kritische waarde bereikt. Koken leidt tot concentratie van het zuur nabij het verwarmde oppervlak en verhoogt de lokale temperatuur tot boven de 90 graden, en kan het corrosiegedrag veranderen van passief naar actief. Het resultaat is een versnelde aanval die wordt gezien als een ring van corrosie op het damp-vloeistofgrensvlak of als putjes direct onder aanhangende dampbellen. Dit artikel bepaalt de maximaal toegestane warmteflux voor klasse 7 titanium mantelverwarmers in 15% zwavelzuur bij 90 graden om dit door koken veroorzaakte corrosiemechanisme te voorkomen.

Corrosieproces veroorzaakt door koken
Zwavelzuur is een niet-azeotrope oplossing waarvan het kookpunt afhangt van de concentratie. Voor 15% H₂SO₄ bij atmosferische druk is het bulkkookpunt ongeveer 103 graden. Dampbellen ontstaan ​​bij onvolkomenheden in het oppervlak wanneer de oppervlaktetemperatuur van de verwarmingsmantel de plaatselijke kooktemperatuur overschrijdt. Door de vorming van de bel verdampt de vloeistoffilm tussen de bel en het hete oppervlak, waardoor het zwavelzuur in die dunne laag wordt geconcentreerd. De concentratie kan in milliseconden stijgen van 15% naar 30-50% door de kernvorming van de bel en de lokale temperatuur aan het metaaloppervlak onder de bel bereikt de oververhittingstemperatuur van de wand, doorgaans 5-20 graden Celsius boven het bulkkookpunt.

In sulfuric acid, the passive-active transition of Grade 7 titanium is observed at a critical combination of concentration and temperature. Grade 7 is passive in 15% acid at 90 C with corrosion rate of less than 0.05 mm per year. In 30% acid at 100°C the corrosion rate increases to 0.5-1.0 mm/year. In 40% acid at 110°C, the rate is >5 mm/jaar. De door koken-geïnduceerde concentratielaag creëert lokaal precies de agressieve omstandigheden, wat resulteert in een snel metaalverlies op de kiemvormingsplaatsen van de bellen.

Bepaling van de warmtefluxdrempel
De kritische warmteflux (CHF) voor het kernkoken van 15% zwavelzuur bij 90 graden is de toestand waarin de vorming van dampbellen krachtig genoeg is om een ​​geconcentreerde zuurlaag in stand te houden. Onder CHF verschijnen de belletjes periodiek en verdwijnen ze snel, waardoor de geconcentreerde coating in de bulk kan worden opgenomen voordat ernstige corrosie begint. Boven CHF neemt de beldichtheid toe, treedt coalescentie op en kan zich een continue dampfilm vormen (overgang naar filmkoken). Deze effecten versnellen de concentratie en corrosie.

Experimentele studies met een klasse 7 titanium testsonde ondergedompeld in 15% H2SO4 bij 90 graden laten een plotselinge stijging van de corrosiesnelheid zien bij warmtestromen boven 35 kW/m2. De corrosiesnelheid bij 25 kW/m2 is minder dan 0,05 mm/jaar. Bij 35 kW/m2 stijgt het tarief naar 0,10 mm/jaar, wat nog steeds acceptabel is voor de meeste toepassingen. Bij 45 kW/m2 stijgt het tarief naar 0,35 mm/jaar. De snelheid bedraagt ​​meer dan 0,8 mm per jaar bij 55 kW/m² en er treedt zichtbare ringcorrosie op aan het damp-vloeistofgrensvlak. Snelle lokale aanval perforeert een muur van 1,65 mm in 1000 uur bij 65 kW/m{sup 2}.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 jaar) werking is 40 kW/m². Voor toepassingen met een levensduur van 2-3 jaar is 50 kW/m2 toegestaan. Als de waarde hoger is dan 60 kW/m², is titanium klasse 7 niet geschikt, ongeacht de wanddikte.

Verzachtende factoren en toepassingsmatrix
Bedrijfsconditie en opstelling van de verwarmingMaximaal toegestane warmtestroom (kW/m2) Verwacht corrosiemechanisme Aanbevolen wanddikte
Verticale oriëntatie, volledig ondergedompeld, goede natuurlijke convectie 40 kW/m² (continu) Uniforme passieve corrosie<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Volledig ondergedompeld, horizontale uitlijning, goede convectie 35 kW/m² Concentratie met laag kookpunt op bovenoppervlak 1,65 mm
Gedeeltelijk ondergedompeld (damp{0}}vloeistofgrensvlak aanwezig) 25 kW/m2 Meniscusringcorrosie 2,0 mm of voorkom gedeeltelijke onderdompeling
Geroerde tank (mechanisch of luchtdoorspoelen) 50 kW/m² Bellen gebroken door roeren, verlaagt de concentratie 1,2-1,5 mm
Lage circulatie, stilstaande tank 30 kW/m2 Lange levensduur van de bel verhoogt de aanval 1,65 mm
Elke toepassing met oppervlaktevervuiling/afschilfering 25 kW/m2 Vervuiling verhoogt de plaatselijke oppervlaktetemperatuur met 2,0 mm Praktische ontwerpaanbevelingen
De maximaal toegestane warmteflux voor continu gebruik zonder kookcorrosie voor een graad 7 titanium omhulselverwarmer ondergedompeld in 15% zwavelzuur bij 90 graden is 40 kW/m^2. Deze warmteflux leidt tot een oppervlaktetemperatuur van ongeveer 8-10 graden boven de temperatuur van de bulkvloeistof, waardoor het metaaloppervlak onder de 100 graden blijft en het aandrijfvermogen voor de kiemvorming van dampbellen wordt beperkt. Ingenieurs zouden het verwarmde oppervlak moeten vergroten in plaats van de wattdichtheid om binnen deze beperking een wenselijke verwarmingssnelheid te verkrijgen. Hetzelfde totale vermogen kan worden geleverd met een lagere warmtestroom door een langere verwarmer of veel buizen met een kleinere diameter achter elkaar te gebruiken. Vraag naar de berekende warmteflux van de mantel (totaal vermogen gedeeld door het ondergedompelde manteloppervlak) wanneer u de verwarmer bestelt, en zorg ervoor dat deze niet groter is dan 40 kW/m2. In systemen met een slechte circulatie of waar gedeeltelijke onderdompeling onvermijdelijk is, verlaagt u de toegestane flux tot 25-30 kW/m2 of kiest u een alternatieve verwarmingsmethode, zoals stoomspoelen.