Koliki je maksimalni dopušteni toplinski tok za grijač omotača od titana razreda 7 potopljen u 15% sumpornu kiselinu na 90 stupnjeva kako bi se izbjegla lokalizirana korozija-izazvana?

Visoke temperature u radu sa sumpornom kiselinom teško su okruženje za opremu za grijanje od titana. Titan stupnja 7 (Ti-0,15Pd) ima dobru otpornost na koroziju u 15 % H2SO4 na 90 stupnjeva C pod uobičajenim okolnostima uranjanja, ali lokalna kemija je uvelike promijenjena prisutnošću vruće površine. Na površini omotača od titana, lokalno vrenje otopine sumporne kiseline ostvaruje se na granici metal-tekućina kada toplinski tok dosegne kritičnu vrijednost. Kuhanje dovodi do koncentracije kiseline blizu zagrijane površine i podiže lokalnu temperaturu iznad ukupnih 90 stupnjeva, te može promijeniti ponašanje korozije iz pasivnog u aktivno. Ishod je ubrzani napad koji se vidi kao prsten korozije na granici pare-tekućine ili kao udubljenje neposredno ispod prianjajućih mjehurića pare. Ovaj članak određuje maksimalni dopušteni toplinski tok za grijače s titanskim plaštem razreda 7 u 15% sumpornoj kiselini na 90 stupnjeva kako bi se izbjegao ovaj mehanizam korozije izazvan vrenjem.

Proces korozije izazvan vrenjem
Sumporna kiselina je ne{0}}azeotropna otopina čije vrelište ovisi o njezinoj koncentraciji. Za 15% H₂SO₄ pri atmosferskom tlaku točka ključanja je oko 103 stupnja. Mjehurići pare nukleiraju se na površinskim nesavršenostima kada površinska temperatura plašta grijača premaši lokalnu temperaturu vrenja. Formiranje mjehurića uzrokuje isparavanje tekućeg filma između njega i vruće površine, koncentrirajući sumpornu kiselinu u tom tankom sloju. Koncentracija se može povećati od 15% do 30-50% u milisekundi od nukleacije mjehurića, a lokalna temperatura na metalnoj površini ispod mjehurića doseže temperaturu pregrijavanja stijenke, općenito 5-20 stupnjeva C iznad točke ključanja.

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/godišnje. Sloj koncentracije-induciran ključanjem lokalno precizno stvara agresivne uvjete, što rezultira brzim gubitkom metala na mjestima nukleacije mjehurića.

Određivanje praga toplinskog toka
Kritični toplinski tok (CHF) za nuklearno ključanje 15% sumporne kiseline na 90 stupnjeva je stanje u kojem je stvaranje mjehurića pare dovoljno snažno da održi sloj koncentrirane kiseline. Pod CHF-om, mjehurići se povremeno pojavljuju i brzo odlaze, dopuštajući da se koncentrirana prevlaka ugradi u masu prije nego što počne ozbiljna korozija. Iznad CHF, gustoća mjehurića se povećava, dolazi do koalescencije i može se formirati kontinuirani film pare (prijelaz u film ključanja). Ovi učinci ubrzavaju koncentraciju i koroziju.

Eksperimentalne studije s titanskom ispitnom sondom Grade 7 uronjenom u 15% H2SO4 na 90 stupnjeva otkrivaju nagli porast brzine korozije pri toplinskim tokovima većim od 35 kW/m2. Brzina korozije pri 25 kW/m2 manja je od 0,05 mm/godišnje. Na 35 kW/m2 stopa se penje na 0,10 mm/godišnje, što je još uvijek prihvatljivo za većinu primjena. Na 45 kW/m2 stopa se penje na 0,35 mm/godišnje. Brzina prelazi 0,8 mm godišnje pri 55 kW/m² i dolazi do vidljive prstenaste korozije na granici para-tekućina. Brzi lokalni napad probuši zid od 1,65 mm u 1000 sati pri 65 kW/m{sup 2}.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 godina) rad je 40 kW/m². Za primjene s vijekom trajanja od 2-3 godine dopušteno je 50 kW/m2. Ako je vrijednost iznad 60 kW/m², titan razreda 7 nije prikladan, bez obzira na debljinu stijenke.

Čimbenici olakšavanja i matrica primjene
Radni uvjeti i postavke grijača Maksimalni dopušteni toplinski tok (kW/m2) Predviđeni mehanizam korozije Preporučena debljina stijenke
Okomita orijentacija, potpuno potopljena, dobra prirodna konvekcija 40 kW/m² (kontinuirano) Jednolika pasivna korozija<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Potpuno uronjeno, vodoravno poravnanje, dobra konvekcija 35 kW/m² Niska koncentracija vrenja na gornjoj površini 1,65 mm
Djelomično uronjeno (prisutno sučelje para-tekućina) 25 kW/m2 Korozija meniskusnog prstena 2,0 mm ili spriječi djelomično uranjanje
Miješanje spremnika (mehaničko ili prskanje zrakom) 50 kW/m² Mjehurići razbijeni miješanjem, smanjuju koncentraciju 1,2-1,5 mm
Niska cirkulacija, stagnirajući spremnik 30 kW/m2 Dugotrajnost mjehurića povećava napad 1,65 mm
Svaka usluga s površinskim onečišćenjem/kamencem 25 kW/m2 Obraštajem se povećava lokalna površinska temperatura 2,0 mm Praktične preporuke za dizajn
Maksimalni dopušteni toplinski tok za kontinuirani rad bez kipuće korozije za grijač s titanskim plaštem razreda 7 uronjen u 15% sumpornu kiselinu na 90 stupnjeva je 40 kW/m^2. Ovaj toplinski tok dovodi do temperature površine od oko 8-10 stupnjeva iznad temperature rasute tekućine, održavajući metalnu površinu ispod 100 stupnjeva i ograničavajući pogonsku snagu za nukleaciju mjehurića pare. Inženjeri bi trebali povećati grijanu površinu umjesto gustoće u vatima kako bi dobili željenu brzinu zagrijavanja unutar ovog ograničenja. Ista ukupna snaga može se isporučiti pri nižem toplinskom toku korištenjem duljeg grijača ili više cijevi manjeg promjera u tandemu. Zatražite izračunati toplinski tok plašta (ukupna snaga podijeljena s površinom uronjenog plašta) kada naručite grijač i pobrinite se da ne bude veći od 40 kW/m2. U sustavima sa slabom cirkulacijom ili gdje je djelomično uranjanje neizbježno, snizite dopušteni protok na 25-30 kW/m2 ili odaberite alternativnu metodu grijanja kao što je prskanje parom.