A titán-dioxid-pigment szuszpenzióját hígított kénsavban (pH 2,5, 80 fok) hevítő titánhüvely esetén mekkora a kritikus áramlási sebesség az erózió -korróziójának megelőzésére a kanyarokban?

Az alapvető kompromisszum a titán fűtőtest kialakításában koptató, savas iszapokhoz
A TiO2 pigmentet ilmenit érc tömény kénsavban történő feltárásával, majd az oldat hígításával, hidrolízisével és kalcinálásával állítják elő. A közbenső fázisok közé tartozik a TiO2 pigment szuszpenziójának melegítése híg kénsavban (pH 2,5, 80 fok). Az iszap 20 -40 tömeg% szilárd TiO2-részecskét tartalmaz, amelyek átlagos átmérője 0,2-0,5 mikron, és kissé koptató hatású. A savas elektrolit és a részecskék becsapódásának együttes hatása eróziós{15}}korróziós környezetet biztosít, amelynek anyagvesztesége nagyobb, mint a tiszta erózió és a tiszta korrózió összege. Az U alakú vagy szerpentin titán fűtőcsövek hajlítási területei a fűtőcsövek legkritikusabb részei, ahol az áramlási út megváltozik, és a részecskék fokozott sebességgel és szöggel kényszerülnek a külső falra (extrados) becsapódni. A falvastagság passzív korróziót enged meg, de az idő előtti meghibásodás elkerülése érdekében a fontos tervezési változó a hígtrágya fűtőberendezésen túli áramlási sebessége. A küszöbsebesség túllépi, és az enyhe, egyenletes kopásról a súlyos, lokális eróziós-korrózióra való változás következik be, amely kevesebb, mint hat hónapon belül áttörhet egy 2,0 mm-es titánfalat. Ez alatt a küszöbsebesség alatt a passzív titán-dioxid bevonat stabil, és az 1,0-1,2 mm falvastagság több éves élettartammal rendelkezik.

Hatás a mechanikai integritásra: Az erózió és a korrózió szinergikus hatása a kanyarokban
A 2. fokozatú titán passzív korróziós sebessége híg kénsavban 2,5 pH-érték mellett statikus vagy alacsony áramlási körülmények között 0,02-0,05 mm/év. A TiO 2 szuszpenzió részecskék kémiailag azonosak a passzív filmmel; így elhanyagolhatóak a galvanikus hatások. Az eróziós komponens azonban gyorsabban roncsolja a védő oxidréteget, mint ahogyan az újrapassziválódni tud. A hajlítás túllépései felé a részecskék becsapódási szögei általában 30-60 fokos tartományba esnek a felülethez képest, ez a tartomány maximalizálja az anyagveszteséget a rideg képlékeny anyagok, például a titán esetében. Az erózió-korrózió sebessége empirikus erőtörvény, w˙=k⋅vnw˙=k⋅vn, ahol vv a helyi részecskesebesség a kanyarban, és nn általában 2,5–3,0 a titánra savas iszapokban. A jelentős sebességfüggés a kopási sebesség 6-8-szoros növekedését sugallja az áramlási sebesség megkétszerezésére. Az erózió sebessége jelentéktelen egy egyenes csőszakasz esetén, ahol az áramlás párhuzamos a felülettel, mivel a részecskék csúsznak, ahelyett, hogy ütköznének. A fő különbség az, hogy a kanyar körüli áramlási gyorsulás miatt a lokális sebesség az extrados kanyarnál 1,5-2,5-szer nagyobb lehet, mint az ömlesztett zagy sebessége. Így a csőben vagy a tartályban az ömlesztett áramlási sebességnek egy olyan küszöbérték alatt kell lennie, amely a 3–4 m/sec körüli kanyar extrados sebességnek felel meg, ahol az erózió-korrózió sebessége elfogadhatatlan.

Hőteljesítmény-hatás: hőmérséklet{0}}sebesség kölcsönhatás
A titán köpenyen keresztüli termikus gradiens hatással van az eróziós -korróziós mechanizmusra azáltal, hogy befolyásolja a passzív film stabilitását. Az alacsonyabb falvastagság alacsonyabb felületi hőmérsékletet jelent egy adott teljesítménysűrűség mellett, és ezáltal a passzív fólia jobb mechanikai robusztusságát. 80 fokos térfogathőmérsékleten a 2,5 W/cm²-es 1,0 mm-es fal külső felülete körülbelül 92 fok; egy 1,5 mm-es fal körülbelül 98 fokot ér el. A 90 fok feletti magasabb hőmérséklet törékenyebb passzív filmréteget eredményez a titánon, és hajlamosabb a repedésekre a részecskék becsapódásakor. Laboratóriumi eróziós -korróziós tesztek TiO2 szuszpenzióval (40 tömeg%, pH 2,5, 80 fok) azt mutatják, hogy a kritikus sebességküszöb egy 1,0 mm-es falnál 2,8 m/s (ömlesztett), de egy 1,5 mm-es falnál a 2,2 m/s melegebb oxidáció miatt lecsökken. Ennélfogva a vastagabb fal nem csak azt eredményezi, hogy több anyag kopik át, hanem csökkenti a biztonságos működési sebesség ablakot is, ami a termelési teljesítmény csökkenéséhez vezethet.

Szintézis a kereskedelemről-: kritikus sebesség és falvastagság mátrix
A következő mátrix a kritikus ömlesztett iszap áramlási sebességét mutatja titánhüvely esetén, amely egy TiO2 szuszpenziót híg kénsavban melegít (pH 2,5, 80 fok, 30 tömeg% szilárdanyag, 0,3 µm medián részecskeméret), amely az a sebesség, amelynél az erózió ekvivalens mértéke (0 mm/év korróziós sebesség) {5}. 3 év élettartam 1,0 mm-es falnál biztonsági tényezővel).

Cső hajlítási sugara (R/D arány) Titán falvastagság Kritikus tömegsebesség (m/s) erózióhoz-Korrózió Korlátozott<0.3 mm/year Expected Life at Critical Velocity Core Engineering Rationale
R=3× OD (szoros kanyar) 1,0 mm 1,8 m/s 2,5 – 3 év A szoros hajlítás a helyi sebességet 3,5-4,0 m/s-ra gyorsítja extradózisnál. A vékony fal hűvösebben fut, kis mértékben növelve a sebességtűrést. Folyamatos használatra nem javasolt.
OD=3 x R (szoros hajlítás) 1,5 mm 1,4 m/s 2 – 2,5 év A vastagabb fal melegebb, ami csökkenti a passzív film rugalmasságát. A helyi sebesség továbbra is magas. Kerülje a szűk hajlításokat, a falvastagságtól függetlenül.
R=5× OD (nagy kanyar) 1,0 mm 2,8 m/s 4–5 év Extrados sebesség ≈ 1,3 × ömlesztett; a nagyvonalú kanyar minimálisra csökkenti a helyi gyorsulást. A vékony fal hűvösebben tartja a felületet. A legjobb kombó friss dizájnokhoz.
R=5× OD (nagy hajlítás) 1,2 mm – 1,4 mm 2,5 m/s 5 – 6 év Enyhébb vastagabb fal, lehetővé teszi az eróziótűrést anélkül, hogy túlzottan emelkedne a hőmérséklet. Kiválóan alkalmas érzékeny alkalmazásokhoz, ritka sebességváltozásokkal.
R=8× OD (rendkívül nagy ív) vagy egyenes cső forgólapátokkal 1,0 mm – 1,2 mm > 3,5 m/s > 8 év Eltávolítja a hajlítási gyorsulást. Az erózió-korrózió kisebb jelentőségű. A falvastagságnak egyszerűen meg kell felelnie a nyomási és korróziós kritériumoknak.
Mérnöki tervezés a kanyarban: áramlási kiegyenesítők és a fűtőelemek tájolása
Ahol a tartály architektúrája a szűk hajlítási sugarat (R < 4 x OD) elkerülhetetlenné teszi, két alternatív módszerrel lehet minimalizálni az eróziós -korróziót a gyártási sebesség feláldozása nélkül. A helyi sebességgyorsulási tényezőt 2,0-ról 1,2-re csökkentik azáltal, hogy áramlási kiegyenlítőket alkalmaznak, vagy lapátokat forgatnak a fűtőkanyar előtt, hogy a zagyot átirányítsák, hogy kövesse a cső kontúrját. A számítási folyadékdinamikai szimuláció azt mutatja, hogy egy lapáttal ellátott 3× OD kanyar extrados sebessége 4,0 m/s-ról 2,2 m/s-ra csökken 2,0 m/s térfogati sebesség mellett, ami a kritikus küszöb alatt van. Másodszor, a fűtőtestet függőlegesen kell elhelyezni úgy, hogy a hígtrágya felfelé áramlik, hogy a részecskék a kanyarulaton túl leülepedjenek vagy nagy szögben ütközzenek. A vízszintes síkban lévő hajlításokkal járó vízszintes tájolást kerülni kell, mivel a gravitáció a részecskéket az extrados felé tolja, növelve az ütközési gyakoriságot. Végül egy valamivel vastagabb fal (1,4–1,6 mm) jelentős hajlítási sugárral (R=6× OD) óvatos tervezést ad bizonytalan vagy változékony áramlási viszonyok esetén, miközben a termikus hatásfok csökken.

Következtetés: A sebességszabályozás és a hajlítási geometria hatása a falvastagságra
Az eróziós -korrózió megelőzéséhez szükséges áramlási sebesség híg kénsavban pH 2,5 és 80 fokos TiO 2 szuszpenziót melegítő titánhüvely kanyarulatainál nagyjából 2,5–3,0 m/s ömlesztett sebesség egy jól megépített fűtőtestnél, amelynek falvastagsága R {{6} 2.0 mm.–0 mm. Bármilyen gyorsabb ennél, és az anyagveszteség exponenciálisan nagyobb lenne. A vastag falak hónapokon belül áthatolnak. E határ alatt az erózió{12}}korrózió elhanyagolható, és az 1,0 mm vastag titánhüvely élettartama 4–5 év. A fő tervezési tanács az, hogy válasszon egy nagy hajlítási sugarat (R nagyobb vagy egyenlő, mint 5 × OD) és az ömlesztett zagy sebességét 2,5 m/sec alatt, majd válassza ki a falvastagságot a korróziós ráhagyás és a mechanikai kezelési követelmények alapján (általában 1,2 mm). A falvastagság növelése a sebesség vagy a hajlítási forma szabályozása nélkül hamis biztonságérzet. Egy 2,0 mm-es fal 3,5 m/sec sebességgel gyorsabban tönkremegy, mint egy 1,0 mm-es fal 2,0 m/sec sebességnél. Amikor fűtőberendezéseket határoz meg abrazív savas iszapokhoz, adja meg a gyártónak a becsült iszapsebességet és részecskeméret-eloszlást, és kérje a hajlítási sugár megerősítését. A fő mérnöki szempont a sebességszabályozás, nem a maximális falvastagság.