Temeljni kompromis-pri zasnovi titanovega grelnika za abrazivne kisle gošče
Proizvodnja pigmenta titanovega dioksida (TiO₂) vključuje razgradnjo ilmenitne rude v koncentrirani žveplovi kislini, čemur sledi redčenje, hidroliza in kalcinacija. V vmesnih stopnjah je potrebno segrevanje suspenzije pigmenta TiO₂ v razredčeni žveplovi kislini (pH 2,5, 80 stopinj). Ta zmes vsebuje 20–40 mas. % trdnih delcev TiO₂ s srednjim premerom 0,2–0,5 mikronov, ki so zmerno abrazivni. Kombinacija kislega elektrolita in trčenja delcev ustvarja erozijsko-korozijsko okolje, kjer stopnje izgube materiala presegajo vsoto čiste erozije in čiste korozije. Upogibna območja titanovih grelnih cevi v obliki črke U ali kačaste oblike so še posebej ranljiva, ker sprememba smeri toka prisili delce, da udarijo v zunanjo steno (extrados) pri večjih hitrostih in kotih. Debelina stene zagotavlja dovoljenje za pasivno korozijo, vendar je kritična konstrukcijska spremenljivka za preprečevanje prezgodnje odpovedi hitrost pretoka gošče mimo grelnika. Preseganje mejne hitrosti povzroči prehod od blage, enakomerne obrabe do hude, lokalizirane erozije-korozije, ki lahko predre 2,0 mm steno iz titana v manj kot šestih mesecih. Pod to kritično hitrostjo ostane pasivni film titanovega dioksida stabilen, debeline sten 1,0–1,2 mm pa dosegajo več-letno življenjsko dobo.
Vpliv na mehansko celovitost: sinergija erozije-korozije na ovinkih
V razredčeni žveplovi kislini pri pH 2,5 kaže titan stopnje 2 pasivno stopnjo korozije 0,02–0,05 mm na leto v statičnih ali nizkih -pretočnih pogojih. Delci gošče TiO₂ so kemično identični pasivnemu filmu, zato so galvanski učinki minimalni. Vendar pa erozivna komponenta odstrani zaščitno oksidno plast hitreje, kot jo lahko ponovno pasivira. Pri ekstradosu upogiba se udarni koti delcev približajo 30–60 stopinjam glede na površino, kar je obseg, ki poveča odstranitev materiala za krhke-duktilne materiale, kot je titan. Stopnja erozije-korozije sledi empiričnemu potenčnemu zakonu: w˙=k⋅vnw˙=k⋅vn, kjer je vv lokalna hitrost delcev na ovinku, nn pa je običajno 2,5–3,0 za titan v kislih goščah. Ta močna odvisnost od hitrosti pomeni, da podvojitev pretoka poveča stopnjo obrabe za faktor 6–8. Pri ravnem odseku cevi s tokom, ki je vzporeden s površino, je stopnja erozije zanemarljiva, ker delci drsijo in ne udarjajo. Bistvena razlika je, da je lahko lokalna hitrost na ovinku extrados 1,5–2,5-krat višja od hitrosti mase gnojevke zaradi pospeševanja toka okoli ovinka. Zato mora biti hitrost razsutega toka, izmerjena v cevi ali rezervoarju, pod pragom, ki ustreza hitrosti ekstradosa pri upogibu približno 3–4 m/s, kjer stopnja erozije-korozije postane nesprejemljivo visoka.
Vpliv na toplotno zmogljivost: Interakcije temperature in hitrosti
Toplotni gradient čez titanov plašč vpliva na mehanizem erozije-korozije prek vpliva na stabilnost pasivnega filma. Tanjša stena zmanjša površinsko temperaturo za določeno gostoto moči, kar izboljša mehansko odpornost pasivnega filma. Pri osnovni temperaturi 80 stopinj ima 1,0 mm stena, ki deluje pri 2,5 W/cm², zunanjo površino približno 92 stopinj; stena 1,5 mm doseže približno 98 stopinj. Pasivni film na titanu postane bolj krhek in nagnjen k lomljenju pod vplivom delcev, ko temperatura naraste nad 90 stopinj. Laboratorijski erozijsko{12}}korozijski testi z uporabo suspenzije TiO₂ (40 mas. %, pH 2,5, 80 stopinj) kažejo, da je prag kritične hitrosti za 1,0 mm steno 2,8 m/s (razsuto), medtem ko za 1,5 mm steno pade na 2,2 m/s, ker bolj vroč, bolj krhek oksid hitreje razpade. Posledično debelejša stena ne zagotavlja le več materiala za obrabo, ampak tudi zniža varno območje delovne hitrosti, kar lahko povzroči zmanjšanje proizvodnega pretoka.
Sintetiziranje kompromisa-: matrika kritične hitrosti in debeline stene
Naslednja matrika predstavlja kritično hitrost pretoka mešanice za titanov plašč, ki segreva suspenzijo TiO₂ v razredčeni žveplovi kislini (pH 2,5, 80 stopinj, 30 mas. % trdne snovi, povprečna velikost delcev 0,3 µm), definirano kot hitrost, pri kateri je stopnja erozije-korozije enaka 0,3 mm na leto (kar ustreza 3-letna življenjska doba za 1,0 mm steno z varnostnim faktorjem).
| Polmer upogiba cevi (razmerje R/D) | Debelina stene iz titana | Kritična nasipna hitrost (m/s) za omejitev erozije-Korozije na<0.3 mm/year | Pričakovano življenje pri kritični hitrosti | Osnovna inženirska utemeljitev |
|---|---|---|---|---|
| R=3× OD (tesen upogib) | 1,0 mm | 1.8 m/s | 2,5 – 3 leta | Tesen ovinek pospeši lokalno hitrost na 3,5–4,0 m/s pri ekstradosih. Tanka stena deluje hladnejše, kar nekoliko poveča toleranco hitrosti. Ni priporočljivo za neprekinjeno delovanje. |
| R=3× OD (tesen upogib) | 1,5 mm | 1.4 m/s | 2 – 2,5 leta | Debelejša stena se segreje, kar zmanjša odpornost pasivnega filma. Lokalna hitrost je še vedno visoka. Ne glede na debelino stene se je treba izogibati tesnemu upogibu. |
| R=5× OD (velikodušen upogib) | 1,0 mm | 2.8 m/s | 4 – 5 let | Velik upogib zmanjša lokalni pospešek (extrados hitrost ≈ 1,3 × razsutem stanju). Tanka stena ohranja površino hladnejšo. Optimalna kombinacija za nove dizajne. |
| R=5× OD (velikodušen upogib) | 1,2 mm – 1,4 mm | 2.5 m/s | 5 – 6 let | Nekoliko debelejša stena omogoča zaščito pred erozijo brez pretiranega dviga temperature. Priporočljivo za kritične aplikacije z občasnimi skoki hitrosti. |
| R=8× OD (zelo velik zavoj) ali ravna cev z vrtljivimi lopaticami | 1,0 mm – 1,2 mm | > 3.5 m/s | >8 let | Odpravlja pospešek pri ovinku. Erozija-korozija postane zanemarljiva; debelina stene mora izpolnjevati samo zahteve glede tlaka in korozije. |
Inženiring onkraj ovinka: usmerjevalniki toka in usmeritev grelnika
Če obstoječa geometrija rezervoarja zahteva majhen radij upogiba (R < 4 × OD), lahko dve komplementarni strategiji preprečita erozijo-korozijo brez zmanjšanja proizvodne hitrosti. Prvič, namestitev usmerjevalnikov toka ali obračanje lopatic navzgor od zavoja grelnika preusmeri gnojevko, da sledi konturi cevi, s čimer se lokalni faktor pospeška hitrosti zmanjša z 2,0 na 1,2. Računalniško modeliranje tekočinske dinamike zavoja 3× OD z lopato kaže padec hitrosti extrados s 4,0 m/s na 2,2 m/s pri skupni hitrosti 2,0 m/s, s čimer se sistem spusti pod kritični prag. Drugič, navpična usmeritev grelnika s pretokom gnojevke navzgor zagotavlja, da se delci prenesejo mimo ovinka, ne da bi se usedli ali udarili pod velikimi koti. Izogibati se je treba vodoravni orientaciji z zavoji v vodoravni ravnini, ker gravitacija vleče delce proti ekstradom, kar povečuje frekvenco udarcev. Nazadnje, nekoliko debelejša stena (1,4–1,6 mm) v kombinaciji z izdatnim polmerom upogiba (R=6× OD) zagotavlja konzervativno zasnovo za neznane ali spremenljive pogoje toka, čeprav je toplotna učinkovitost zmanjšana.
Zaključek: nadzor hitrosti in geometrija upogiba prevladujeta pri debelini stene
Za titanov plašč, ki segreva suspenzijo TiO₂ v razredčeni žveplovi kislini pri pH 2,5 in 80 stopinjah, je kritična hitrost pretoka za preprečevanje erozije-korozije na ovinkih približno 2,5–3,0 m/s nasipne hitrosti za dobro-zasnovan grelnik z R=5× OD in debelino stene 1,0–1,2 mm. Prekoračitev te hitrosti povzroči eksponentno povečanje izgube materiala, ki v nekaj mesecih predre celo debele stene. Pod tem pragom je erozija-korozija minimalna, 1,0 mm titanov plašč pa ima življenjsko dobo 4–5 let. Primarno priporočilo za načrtovanje je, da določite velikodušen radij upogiba (R Večji ali enak 5 × OD) in vzdržujete hitrost gnojevke pod 2,5 m/s, nato pa izberete debelino stene glede na dovoljeno korozijo in zahteve glede mehanskega ravnanja (običajno 1,2 mm). Povečanje debeline stene brez nadzora hitrosti ali geometrije upogiba zagotavlja lažen občutek varnosti; 2,0 mm stena pri 3,5 m/s odpove hitreje kot 1,0 mm stena pri 2,0 m/s. Ko določate grelnike za abrazivne kisle brozge, proizvajalcu navedite pričakovano hitrost brozge in porazdelitev velikosti delcev ter zahtevajte potrditev polmera upogiba. Ključna inženirska odločitev je upravljanje hitrosti, ne maksimizacija debeline stene.
