ما هو الفرق في الأداء على المدى الطويل بين 1.5 مم و2.5 مم لسخانات الفولاذ المقاوم للصدأ 316 في ملاط ​​خام حمض الفوسفوريك بنسبة 10% عند درجة حرارة 80 درجة مع بلورات كاشطة

المقايضة الأساسية-في خدمة إنتاج حمض الفوسفوريك

ينتج عن إنتاج حمض الفوسفوريك -بالعملية الرطبة ملاط ​​خام بنسبة 10% من حمض الفوسفوريك في خليط من بلورات نصف هيدرات كبريتات الكالسيوم أو بلورات ثنائي الهيدرات، وجزيئات صخور الفوسفات غير المتفاعلة وملوثات معدنية مختلفة. هذه بيئة شديدة العدوانية بسبب مزيج من الوسط الحمضي المعتدل (الرقم الهيدروجيني 1-2) والجزيئات الصلبة التي تؤدي إلى تآكل الطلاء السلبي على الفولاذ المقاوم للصدأ 316. تتعرض السخانات الغاطسة الكهربائية في مركزات حمض الفوسفوريك وخزانات الهجوم إلى التآكل الكيميائي والتآكل الميكانيكي المشترك. يعد قرار سمك الغلاف، 1.5 مم مقابل 2.5 مم، بمثابة حساب أداء طويل المدى حيث يحتاج المعدن الإضافي الموجود في الجدار السميك إلى الموازنة مع التأثيرات الحرارية والميكانيكية الناتجة عن التشغيل بمقطع عرضي أكبر-. على عكس خدمة السوائل النظيفة حيث يكون القلق الوحيد هو التآكل، يتضمن هذا التطبيق مراقبة آليتين متفاعلتين للتحلل عبر حملات متعددة السنوات.

التآكل-اعتماد تآزر التآكل على السُمك

يبلغ معدل التآكل الموحد للفولاذ المقاوم للصدأ 316 في حمض الفوسفوريك النظيف عند 80 درجة حوالي 0.1-0.3 مم/سنة اعتمادًا على كمية شوائب الفلورايد والكلوريد في الحمض الخام. من خلال إضافة بلورات كاشطة (بلورات نصف هيدرات كبريتات الكالسيوم) يبلغ حجمها عادةً 10-100 ميكرون وبصلابة موس تبلغ 2.5-3.0، تتحول آلية التحلل من التآكل النقي إلى تآكل -التآكل. تتم إزالة الطبقة الواقية السلبية بشكل مستمر عن طريق اصطدام الجزيئات التي تعرض المعدن الطازج للحمض. معدل التآكل-ليس مجرد مجموع معدل التآكل النقي ومعدل التآكل النقي. وبدلاً من ذلك، يحدث تأثير تآزري، حيث يكون معدل تآكل المعدن المنشط باستمرار-أكبر بكثير من معدل تآكل السطح السلبي المستقر. تظهر النتائج المنشورة لـ 316 من الفولاذ المقاوم للصدأ في 10% من حمض الفوسفوريك مع 5 جزيئات 10% عند 80 درجة وسرعة ملاط ​​تبلغ 1.5 م/ث معدلات تآكل تآكل تبلغ 0.6-1.2 مم سنويًا، وهي ثلاثة إلى ستة أضعاف معدل التآكل النقي. الوقت المحسوب للثقب تحت التآكل المستمر هو 1.3-2.5 سنة لسمك الجدار 1.5 مم. بالنسبة للجدار 2.5 ملم، فإن الوقت المحسوب هو 2.1-4.2 سنة. لكن هذه الحسابات تفترض معدل تآكل-تآكل ثابت. في الواقع، عندما يصبح الجدار أرق، يتغير توزيع الضغط المحلي على السطح وقد يزيد معدل التآكل لأن الجدار الرقيق ينحرف أكثر عند ملامسة الجسيمات، مما يؤدي إلى ضغوط محلية أكبر تؤدي إلى كسر السطح بسهولة أكبر. تظهر إحصائيات الأداء طويلة المدى من مصانع حمض الفوسفوريك أن معدل التآكل والتآكل يزيد عمومًا بنسبة 20-40% عندما يكون سمك الجدار أقل من 1.0 مم. لذا فإن الجدار الذي يبلغ سمكه 2.5 ملم يبدأ بمعدن أكثر ويستغرق وقتًا أطول للوصول إلى نظام التسارع هذا.

الدور الميكانيكي لسماكة الجدران وطاقة الصدم الكريستالية

لا تنزلق البلورات الكاشطة الموجودة في ملاط ​​حمض الفوسفوريك الخام فوق السطح فحسب، بل تضربه من زوايا مختلفة اعتمادًا على نمط التدفق حول المدفأة. في التدفق المتقاطع-، تصطدم الجزيئات الموجودة في الملاط بالحافة الأمامية لأنبوب التسخين الأسطواني بزوايا عادية تقريبًا (طاقة تصادم عالية، تآكل أعظم) والجوانب بزوايا خاطفة (تآكل أقل). طاقة الصدم لبلورة كبريتات الكالسيوم التي تتحرك بسرعة 1.5 م/ث هي 0.5 إلى 2 ميكروجول حسب حجم الجسيم. هذه الطاقة كافية لإنتاج تشوه بلاستيكي صغير على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ 316. يبلغ عمق الطبقة المشوهة بلاستيكيًا من كل ضربة بشكل عام 1-5 ميكرون. تتم الإزالة الكاملة للمادة من خلال عملية الكلال مع عدد كبير من التأثيرات: تؤدي الصدمات المتكررة إلى تصلب العمل، وبدء الكسر، وأخيرًا فصل القطع المعدنية الصغيرة. يرتبط معدل إزالة المادة عكسيًا بصلابة المعدن ويعتمد أيضًا على قدرة المادة السائبة الأساسية على امتصاص طاقة التأثير دون أن تتحطم. يؤدي الجدار السميك إلى أساس مرن أكبر تحت السطح المتأثر. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ 316، يكون معامل المرونة 193 GPa وتتناسب صلابة جدار الأنبوب في الانحناء مع مكعب السمك لقطر خارجي معين. سمك الجدار الذي يبلغ 2.5 مم لديه صلابة انحناء تبلغ حوالي 4.6 أضعاف سمك الجدار الذي يبلغ 1.5 مم (2.5³/1.5³=4.6). تقلل الصلابة المتزايدة من الانحراف الديناميكي عند تأثير الجسيمات، وبالتالي تقلل من ذروة إجهاد التلامس ومعدل التآكل. تشير الملاحظات الميدانية في سخانات مصانع الفوسفور إلى أن معدلات تآكل أنابيب الجدران مقاس 2.5 مم على الحافة الأمامية غالبًا ما تكون أقل بنسبة 20-30٪ من أنابيب الجدران مقاس 1.5 مم تحت نفس ظروف الملاط فقط بسبب تأثير الصلابة.

عقوبة الأداء الحراري للجدار السميك في خدمة القاذورات

من المعروف أن الطين الخام من حمض الفوسفوريك ملوث. تميل بلورات كبريتات الكالسيوم إلى التراكم على الأسطح الساخنة. يؤدي هذا إلى تكوين مقياس يعزل الأنبوب ويحد من انتقال الحرارة. يعتمد معدل تطور الحجم على درجة حرارة السطح بالنسبة إلى منحنى ذوبان كبريتات الكالسيوم. عندما تكون درجة حرارة الغلاف أكثر من 90-95 درجة، تنخفض ذوبان نصف هيدرات كبريتات الكالسيوم ويتسارع هطول الأمطار. سخان حائط بقطر 1.5 مم بكثافة واط تبلغ 6 وات/سم2 في 80 درجة من الحمض السائب لديه درجة حرارة سطح الغلاف تبلغ حوالي 95-100 درجة، عند عتبة التدرج المتسارع. وبنفس كثافة الواط، يؤدي الجدار الذي يبلغ سمكه 2.5 مم إلى درجة حرارة الغلاف تبلغ 110-120 درجة مئوية، وهو ما يقع ضمن نطاق القياس. سيتكون الأنبوب الجداري مقاس 2.5 مم-مقياسًا أسرع وأكثر سمكًا من الأنبوب مقاس 1.5 مم. بمجرد وضع طبقة القشور في مكانها، فإنها تضيف مقاومتها الحرارية الخاصة، مما يدفع درجة حرارة الغلاف إلى أعلى في دورة التعزيز الذاتي. ويعادل سمك الجدار 4.0 ملم المقاومة الحرارية الفعالة لجدار 2.5 ملم مع مقياس كبريتات الكالسيوم 0.5 ملم. لا يمنع هذا المقياس انتقال الحرارة فحسب، بل ينتج أيضًا شقوقًا تحت كيمياء الأحماض السائبة التي تصبح مركزة محليًا وتسرع التآكل. وبالتالي فإن الفرق في الأداء طويل المدى للسمكين يعتمد بشكل حيوي على القدرة على ضبط المقياس. يمكن للجدار الذي يبلغ سمكه 2.5 مم أن يحقق عمرًا طويلًا للتآكل والتآكل في المصانع باستخدام التنظيف الميكانيكي (المغازل أو الكاشطات) أو إزالة الترسبات الكيميائية. قد يكون أداء الجدار الذي يبلغ سمكه 1.5 ملم أفضل في النباتات حيث يُسمح بتجمع القشور. تؤخر درجة حرارة السطح المنخفضة تكوين القشور، وعندما يتكون القشور، يحافظ الجدار الأساسي الأرق على تدفق حرارة أعلى من خلال طبقة الجدار الزائد المدمجة.

ركوب الدراجات الحرارية وضغوط التوسع التفاضلي

تعمل مكثفات حمض الفوسفوريك في دورات دفعية أو مع تغذية متقطعة ويتم تدوير السخان حرارياً من البيئة المحيطة إلى 80 درجة والعودة. تتسبب كل دورة تسخين في حدوث توترات تمدد تفاضلية بين سلك المقاومة وعزل أكسيد المغنيسيوم والغلاف المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ. وبما أن القسم الأكثر سمكًا يعطي مقاومة أكبر للتمدد الحراري والانكماش، فإن سعة هذه الضغوط تتناسب مع سمك الغلاف. معامل التمدد للفولاذ المقاوم للصدأ 316 لتغير درجة الحرارة بمقدار 80 درجة هو تقريبًا 0.1% (16 × 10-6/ درجة × 80 درجة=0.00128). بالنسبة لأنبوب قطره الخارجي 12 مم، يكون هذا التمدد 0.015 مم. قد يتعامل الجدار الذي يبلغ سمكه 1.5 مم بسهولة أكبر مع التمدد عن طريق التشوه المرن مقارنة بالجدار الذي يبلغ سمكه 2.5 مم. يتعرض الجدار السميك لضغوط دورية أكبر عند التلامس بين الغلاف وعزل أكسيد المغنيسيوم على مدى آلاف الدورات. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تشقق العزل مما يقلل من قوة العزل الكهربائي ويؤدي في النهاية إلى فشل كهربائي. تشير بيانات الأداء طويلة المدى -من مصانع الفوسفور إلى أن سخانات الحائط مقاس 2.5 مم بها معدل عطل كهربائي (انهيار العزل) أعلى من سخانات الحائط مقاس 1.5 مم بعد 3-5 سنوات من الخدمة، حتى عندما يظل الجدار الذي يبلغ سمكه 2.5 مم به سمك معدني مناسب متبقٍ. يضحي الجدار السميك بعمر التآكل والتآكل من أجل عمر التعب الحراري.

ملخص-ملخص مقارنة الأداء على المدى الطويل

متري الأداء غمد 1.5 مم غمد 2.5 مم
التآكل-معدل التآكل بملاط 1.5 م/ث 0.6-1.2 مم/سنة 0.5-0.9 مم/سنة (أقل بنسبة 20-30% بسبب الصلابة)
الوقت اللازم للثقب (تقديري) 1.3 إلى 2.5 سنة 2.8 إلى 5.0 سنوات
درجة حرارة الغلاف 6 وات/سم2 95-100 درجة 110-120 درجة
معدل التحجيم (كبريتات الكالسيوم)متوسط ​​(نظام العتبة) مرتفع (نظام متسارع)
عمر الكلال الحراري (دورات حتى فشل العزل) 4000-7000 دورة 8000-12000 دورة
عمر الخدمة النموذجي المُبلغ عنه لمصانع الفوسفور هو 2-4 سنوات (مقياس محدود) 3-5 سنوات (التعب الحراري محدود)
أفضل استخدام للمحطات ذات القدرة على إزالة الترسبات، والتشغيل على دفعات، والخدمة المستمرة مع وجود مساحة صغيرة للحجم
استراتيجيات عملية لتمديد العمر بما يتجاوز اختيار السُمك

سمك الغلاف وحده لن يحل مشكلة ملاط ​​حمض الفوسفوريك. تم توضيح ثلاثة حلول تكميلية لإطالة عمر السخان بما يتجاوز ما يمكن توقعه من السُمك وحده. 1. إدارة التدفق: تؤدي محاذاة أنابيب السخان بالتوازي مع تدفق الملاط بدلاً من الوضع المتعامد إلى تقليل زوايا التأثير ومعدلات التآكل بنسبة 40-60%. ثانيًا، تصلب السطح: تؤدي نيترة أو تلميع سطح الفولاذ المقاوم للصدأ 316 إلى رفع الصلابة من 200 فولت إلى 800-1000 فولت، مما يقلل بشكل كبير من معدلات التآكل دون زيادة المقاومة الحرارية. يمكن أن يكون الأنبوب مقاس 1.5 مم ذو السطح الصلب متينًا مرتين مثل الأنبوب مقاس 2.5 مم بدون سطح صلب. ثالثًا، إدارة القشور، مع الحفاظ على درجة حرارة الحمض السائب أقل من 75 درجة أو استخدام مثبطات القشور مثل البولي أكريلات، تحافظ على سطح الغلاف تحت عتبة ترسيب كبريتات الكالسيوم بحيث يكون من الممكن استخدام جدران أرق وأكثر كفاءة من الناحية الحرارية. استخدمت بعض المصانع سخانات حائط 1.2 مم مع تصلب السطح وتثبيط القشور لمدة خمس سنوات أو أكثر دون أي مشاكل، بينما فشلت سخانات الحائط 2.5 مم غير المعالجة بسبب ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن القشور.

الخلاصة: اختلاف الأداء موضح بظروف التشغيل

إن فرق الأداء على المدى الطويل- بين 1.5 مم و2.5 مم لسخانات الجدار 316 المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ في ملاط ​​خام حمض الفوسفوريك بنسبة 10% عند 80 درجة لا يمثل فائدة بسيطة للجدار الأكثر سمكًا. يمنح الجدار الذي يبلغ سمكه 2.5- مم 1.5 إلى 2.0 مرة من عمر التآكل-في خدمة القياس المستمر والمنخفض-، ولكنه يعاني من ارتفاع درجات حرارة السطح التي تزيد من معدلات القياس ومن انخفاض عمر الكلال الحراري. 1.5يتميز الجدار ملم بأداء حراري فائق وميل أقل للتحجيم وعمر كلل حراري أطول، ولكن احتياطي معدني أقل للتآكل-. بالنسبة لمعظم مصانع حمض الفوسفوريك، يكون السُمك الأمثل بين هذين الحدين، حوالي 1.8-2.0 مم، مع تطبيق تصلب السطح والتحكم في الحجم. إذا اضطر المصنع الذي يتمتع بتحكم جيد في الحجم والتشغيل المستمر إلى الاختيار بين الاثنين، فيجب اختيار جدار بسمك 2.5 مم لزيادة عمر التآكل إلى أقصى حد. بالنسبة للمحطات التي تعمل بنظام الدفعة، مع دورة حرارية متكررة أو قدرة محدودة على إزالة الترسبات، يجب اختيار سمك جدار يبلغ 1.5 مم لتجنب فشل التقشر والإجهاد الحراري. يجب أن تكون احتياجات المعالجة السطحية واتجاه التدفق معطاة في المواصفات، مما يحول اختيار السمك البسيط إلى تصميم سخان متكامل للتعامل مع الملاط.