Pri kojoj je specifičnoj kombinaciji koncentracije sumporne kiseline i temperature potrebna zamjena plašta od 316 nehrđajućeg čelika od 1,2 milimetra svaka tri mjeseca u servisu grijača za proizvodnju titanijevog dioksida?

Procesni inženjeri koji rade s električnim uronjenim grijačima u proizvodnji titanijevog dioksida putem sulfatnog procesa znaju da su tijekom faza digestije i hidrolize tipične koncentracije sumporne kiseline od 15 do 25% na temperaturama od 80 do 110 stupnjeva. Za prostor-ograničene reaktore povremeno je potreban omotač od nehrđajućeg čelika 316 debljine 1,2 mm, iako visoka koncentracija, temperatura i protok topline od gustoće vata stvaraju iznimno agresivne uvjete korozije. S nekim pragovima opća korozija može prodrijeti kroz stijenku od 1,2 mm u tri mjeseca, a to znači da je treba zamijeniti svaka tri mjeseca. U ovoj studiji utvrđujemo točne koncentracijske-temperaturne uvjete pri kojima plašt od 1,2 mm 316 postiže rok trajanja od tri mjeseca.

Otpornost 316 na koroziju koncentriranom sumpornom kiselinom na povišenoj temperaturi
Na temperaturama iznad 80 stupnjeva, nehrđajući čelik 316 pada u domenu aktivne korozije u 15-25% sumpornoj kiselini. Brzine korozije nisu pasivne nego aktivne visoke, od 2 mm do 10 mm godišnje, ovisno o specifičnoj koncentraciji i temperaturi. Najagresivniji raspon je 90-100 stupnjeva s 18-22% sumporne kiseline, gdje brzine mogu premašiti 15 mm/god. Minimalna strukturna debljina za zadržavanje tlaka za plašt od 1,2 mm je reda veličine 0,4 mm. 3.2 mm/godina, stopa korozije bi osigurala penetraciju od 0,8 mm (1,2 mm-0,4 mm) u 3 mjeseca. Ukupna koncentracija kiseline i površinska temperatura omotača, kada se kombiniraju, rezultiraju brzinom korozije od oko 3-5 mm godišnje koja dostiže tromjesečnu granicu zamjene.

Kritični pragovi od tri-mjesečnog životnog vijeka
Na temelju ispitivanja uranjanjem 316 uzoraka u sumpornoj kiselini pri koncentracijama i temperaturama relevantnim za proizvodnju titanijevog dioksida, sljedeće kombinacije daju maksimalni vijek trajanja od tri-mjeseca za stijenku od 1,2 mm.

Koncentracija sumporne kiseline (težinski %) Temperatura rasute otopine Temperatura površine plašta pri 6 W/cms (povećanje od 12 stupnjeva) Očekivana stopa korozije pri površinskoj temperaturi Vrijeme smanjenja 1,2 mm do 0,4 mm Vijek trajanja do zamjene
15% 80 stupnjeva 92 stupnjeva 1,5 – 2,5 mm/godina 0,3 – 0,5 godina 4 – 6 mjeseci
15% 85 stupnjeva 97 stupnjeva 2,5 – 4,0 mm/god 0,2 – 0,3 godine 2,5 – 4 mjeseca
15% 90 stupnjeva 102 stupnjeva 4,0 – 6,0 mm/godina 0,13 – 0,20 godina 1,5 – 2,5 mjeseca
18% 75 stupnjeva 87 stupnjeva 2,0 – 3,0 mm/godina 0,27 – 0,40 godina 3 – 5 mjeseci
18% 80 stupnjeva 92 stupnjeva 3,0 – 5,0 mm/godina 0,16 – 0,27 godina 2 – 3,5 mjeseca
18% 85 stupnjeva 97 stupnjeva 5,0 – 8,0 mm/god 0,10 – 0,16 godina 1,2 – 2 mjeseca
20% 70 stupnjeva 82 stupnjeva 2,5–4,0 mm/godina 0,20–0,32 godine 2,5–4 mjeseca
20% 75 stupnjeva 87 stupnjeva 4,0 – 6,0 mm/godina 0,13 – 0,20 godina 1,5 – 2,5 mjeseca
20% 80 stupnjeva 92 stupnjeva 6,0 – 10,0 mm/godina 0,08 – 0,13 godina 1 – 1,5 mjeseci
22% 65 stupnjeva 77 stupnjeva 3,0 – 5,0 mm/godina 0,16 – 0,27 godina 2 – 3,5 mjeseca
22% 70 stupnjeva 82 stupnjeva 5,0 – 8,0 mm/god 0,10 – 0,16 god 1,2 – 2 mj.
22% 75 stupnjeva 87 stupnjeva 8,0 – 12,0 mm/godina 0,07 – 0,10 godina 0,8 – 1,2 mjeseca
25% 60 stupnjeva 72 stupnjeva 3,0 ? 5,0 mm/godina 0,16 ? 0,27 godina 2 ? 3,5 mjeseca
25% 65 stupnjeva 77 stupnjeva 5,0 – 8,0 mm/godina 0,10 – 0,16 godina 1,2 – 2 mjeseca
25% 70 stupnjeva 82 stupnjeva 8,0 – 12,0 mm/god 0,07 – 0,10 god 0,8 – 1,2 mj.
Za reaktor za digestiju titanijevog dioksida koji koristi 20% sumpornu kiselinu pri temperaturi mase od 80 stupnjeva s omotačem od 1,2 mm pri 6 W/cm², temperatura površine omotača je oko 92 stupnja. Očekivana stopa korozije je 6-10 mm godišnje, što rezultira smanjenjem stijenke od 1,2 mm na 0,4 mm u 1-1,5 mjeseci. 3 mjesečna zamjena je optimistična. Stvarni vijek trajanja je 1-2 mjeseca.

3-mjesečni raspored zamjene Sigurnosna radna omotnica
Sljedeća tablica prikazuje maksimalnu sigurnu temperaturu mase za sumpornu kiselinu za omotač od 1,2 mm 316 pri različitim gustoćama u vatima kako bi se osigurao vijek trajanja od najmanje tri mjeseca prije zamjene pri smanjenju stijenke na 0,4 mm.

Gustoća u vatima (porast temperature) Maksimalna zapreminska temperatura za 15% H2SO4 Maksimalna masovna temperatura za 18% H2SO4 Maksimalna masovna temperatura za 20% H2SO4 Maksimalna masovna temperatura za 22% H2SO4 Maksimalna masovna temperatura za 25% H2SO4 4 W/cm2 (porast od 8 stupnjeva) 86 stupanj 80 stupanj 76 stupanj 72 stupanj 66 stupanj 6 W/cm2 (porast od 12 stupnjeva) 82 stupanj 76 stupanj 72 stupanj 68 stupanj 62 stupanj 8 W/cm2 (porast od 16 stupnjeva) 78 stupanj 72 stupanj 68 stupanj 64 stupanj 58 stupanj 10 W/cm2 (20 stupanj porast) 74 stupanj 68 stupanj 64 stupanj 60 stupanj 54 stupanj
Sigurna masovna granica za proces s titanijevim dioksidom je 76 stupnjeva (18% sumporne kiseline, 80 stupnjeva masovne temperature, 6 W/cm² (povećanje od 12 stupnjeva, površina od 92 stupnja)). Grijač je iznad sigurnosne granice od 80 stupnjeva, a vijek trajanja od tri mjeseca nije zajamčen. Sigurna granica količine od 80 stupnjeva -marginalna čak i pri 4 W/cm2.

Promjene dizajna za produljenje vijeka trajanja dulje od tri mjeseca
Ako uvjeti procesa s titan dioksidom diktiraju 1,2 mm 316 omotač i životni vijek od tri mjeseca nije dovoljan, dvije promjene mogu pomoći, ali se preporučuje nadogradnja legure. Prva promjena je maksimiziranje grijane duljine kako bi se smanjila gustoća vata što je više moguće. S 4 W/cm2 moguće je postići stope korozije od 2–4 mm/godišnje u 18–20% sumpornoj kiselini na 80 stupnjeva, stoga je vijek trajanja ograničen na 3–6 mjeseci. Drugo poboljšanje bilo bi korištenje dvostrukog nehrđajućeg čelika kao što je 2205 ili nehrđajućeg čelika s visokim udjelom-silicija kao što je legura 20. U 20% sumpornoj kiselini na 80 stupnjeva, legura 20 smanjuje stope korozije na manje od 0,5 mm godišnje, produžujući vijek trajanja na 2-3 godine. 316 nehrđajući čelik općenito nije prikladan za uronjeni grijači tijekom faza digestije i hidrolize u proizvodnji titan dioksida. Inženjeri bi trebali specificirati plašteve od legure 20, legure 825 ili tantala-obložene za pouzdanu uslugu. Kada specificirate grijače za proizvodnju titanijevog dioksida, uvijek navedite točan sadržaj kiseline, temperaturu mase i predviđeni radni ciklus. Odgovoran savjet je ne predlagati 316 za 20% sumpornu kiselinu na 80 stupnjeva bez govora o brzoj koroziji. Za većinu poduzeća tromjesečna zamjena nije ekonomski isplativa. Predvidljiv, ali kratak vijek trajanja od tri mjeseca za zamjenu. Poboljšanje legure pravi je inženjerski odgovor.