Per escalfar mescles d'aigua/àcid fòrmic en condicions agitades, com altera la resistència a la corrosió el diàmetre del tub-a-la relació de la paret-?

Les mescles aquoses d'àcid fòrmic (HCOOH) generen un ambient reductor que desafia l'estabilitat passiva de la pel·lícula del titani. L'àcid fòrmic no indueix condicions oxidants per a la repassivació espontània com l'àcid nítric o l'aigua de mar. Per a concentracions d'àcid fòrmic entre el 10 i el 90% a temperatures elevades (70-100 graus), el titani utilitza una làmina d'òxid prima i relativament inestable. Quan l'agitació s'obté per agitació mecànica, recirculació de la bomba o burbuixat de gas, els efectes combinats de l'atac químic i el cisallament mecànic del fluid produeixen un estat d'erosió-corrosió. La resposta de la superfície de titani a aquest doble atac depèn fortament de la relació diàmetre-paret (D/t) del tub. Una D/t més petita (paret més gruixuda en relació al diàmetre) altera l'estat de tensió superficial i la hidrodinàmica del flux a la interfície del fluid del tub{10}}, la qual cosa influeix directament en la velocitat d'eliminació del material.

Erosió-Mecanismes de corrosió en àcid fòrmic agitat

Erosió-la corrosió és diferent de la corrosió pura o l'erosió pura; En l'àcid fòrmic, el component de corrosió està atacant contínuament la pel·lícula passiva, mentre que el component d'agitació elimina mecànicament les capes superficials de protecció parcial. La tensió de tall és proporcional al quadrat del gradient de velocitat local i és causada per la velocitat del fluid a la superfície del tub. Per a un cabal determinat, les velocitats locals i els esforços de cisalla són més alts als tubs amb diàmetres més petits (i, per tant, relacions D/t més baixes per al mateix gruix de paret). Tanmateix, l'efecte dominant es deu a la tensió superficial. En resposta a l'agitació, els tubs vibren a freqüències vinculades a la seva rigidesa. La rigidesa a la flexió del tub és proporcional al moment d'inèrcia, que varia com (D4 - (D-2t)4). Una relació D/t més petita produeix un tub més rígid que resisteix la tensió superficial de la vibració. La tensió reduïda a la superfície fa que la pel·lícula passiva es trenqui menys sovint de manera mecànica i, per tant, la part corrosiva pot ser més lenta i uniforme en lloc de ràpida i trencant la pel·lícula.

Correlació quantitativa entre la taxa d'eliminació de material i la relació D/t

Les proves de bucle controlades en àcid fòrmic al 50% a 85 graus, velocitat de flux de 2 m/s agitació d'una turbina Rushton (velocitat de punta 3 m/s) han donat les següents relacions per al titani de grau 2:

Relació 8 D/t (p. ex. . 20mm de diàmetre, paret de 2,5 mm): taxa d'eliminació de material de 0,08 mm/any. La relació de paret a diàmetre relativament gran dóna lloc a un tub rígid amb una freqüència natural superior a 200 Hz, molt per sobre de les freqüències habituals de l'agitador (20-50 Hz). Pertorbació mínima de la vibració de la pel·lícula. L'erosió-corrosió té una distribució homogènia i és previsible.

Relació D/t de 15 (per exemple, . 24 mm de diàmetre, paret de 1,6 mm): taxa d'eliminació de material: 0,22 mm/any. La rigidesa del tub va disminuir aproximadament un 60% en comparació amb D/t=8. A les freqüències de pas de les pales de l'agitador, es produeix una vibració ressonant. La interrupció localitzada de la pel·lícula als suports del tub i a la part mitjana-augmenta la taxa d'eliminació en un factor de 2,7.

Relació D/t de 25 (p. ex. . 25 mm de diàmetre, paret d'1,0 mm): taxa d'eliminació de material de 0,55 mm/any. La rigidesa del tub va disminuir un 85% en comparació amb el D/t=8. La vibració excessiva provoca un fregament als llocs de contacte. La taxa d'eliminació es torna molt localitzada amb l'assalt millorat en punts de major amplitud de desplaçament.

Relació D/t 33 (p. ex. . 33 mm de diàmetre, paret d'1,0 mm): taxa d'eliminació de material > 1,0 mm/any. El tub experimentarà una vibració induïda per flux-independentment del disseny de l'agitador. No es recomana el seu ús amb fòrmica agitada.

Guia de selecció de la relació diàmetre-paret per aplicació

El marc de decisió per a l'elecció de la millor relació D/t en funció de la intensitat d'agitació i la concentració d'àcid fòrmic es mostra a la taula següent.

Condició d'agitació i concentració d'àcid fòrmic Relació D/t recomanada Justificació del nucli i erosió-Modificació de la corrosió
turbina lenta,<1 m/s tip speed, mild agitation, 10–30% formic acid, 70°C 20–25 (e.g., 25 mm × 1.0 mm)Lower acid content results in lower corrosion rate. Thin wall, vibration regulated with additional supports every 500 mm. Reduced material cost.
Agitació moderada (velocitat de punta de 2 m/s, dipòsit deflector), àcid fòrmic 30–60%, 85 graus 12 a 18 (p. ex., 22 mm × 1,5 mm o 30 mm × 2,0 mm) Compromís entre la transferència de calor (preferiblement les parets més primes) i la rigidesa (preferiblement les parets més gruixudes). Disposició típica d'escalfadors industrials.
Agitació severa (mesclador d'alt-cisalla, burbuix de gas), àcid fòrmic al 60-90%, 100 graus 8-12 (per exemple, . 25 mm x 2,5 mm o 20 mm x 2,0 mm) Resistència a la corrosió a l'erosió màxima desitjada. Accepteu una menor transferència de calor (la paret més gruixuda augmenta la resistència tèrmica) Càrrec addicional per al material de titani.
Àcid fòrmic agitat, cristalls en suspensió (condicions abrasives) 6–10 (per exemple, 20 mm × 2,5 mm o 18 mm × 2,0 mm) Relació D/t minimitzada per a la màxima rigidesa. El gruix de la paret també proporciona un marge d'abrasió. Es recomanen mànigues de desgast reemplaçables.
Enginyeria de la relació diàmetre exterior a paret

La relació D/t no és independent de la configuració del suport del tub. Els suports intermedis separats a intervals no superiors a 20 diàmetres de tub minimitzen l'amplitud de vibració en un factor del 70 al 80 per cent per a qualsevol relació D/t superior a 15. El material de suport és important: les insercions de PTFE o PEEK eviten la corrosió galvànica i minimitzen el fretting en comparació amb els suports metàl·lics. El perfil de concentració d'àcid fòrmic també canvia el mecanisme d'erosió-corrosió. Per sota del 20% d'àcid fòrmic, la solució és menys reductora i augmenta l'estabilitat de la pel·lícula passiva, permetent relacions D/t més grans. Per sobre del 80% d'àcid fòrmic a 100 graus, les taxes de corrosió uniformes augmenten independentment de l'agitació i la relació D/t s'ha de reduir per proporcionar un marge de gruix de paret per a l'aprimament general en lloc del control de vibracions. La reserva de material per a una llarga vida útil és el valor absolut del gruix de la paret (no només la relació). Un tub de paret de 2,0 mm (40 mm de diàmetre) amb D/t=20 té una tolerància a l'erosió molt més alta que un tub de paret de 1,5 mm (22,5 mm de diàmetre) amb D/t=15.

Una especificació informada

Quan seleccioneu un escalfador de titani per a combinacions d'àcid fòrmic/aigua en condicions d'agitació, definiu l'agitació en termes de velocitat de la punta de l'agitador (m/s) i el deflector del dipòsit per determinar la intensitat d'agitació. A velocitats de punta inferiors a 1,5 m/s, els dissenys típics d'escalfadors de D/t 15-20 poden ser adequats amb suports espaiats correctament. Per a velocitats de punta superiors a 2,5 m/s, indiqueu la relació D/t que no superi 12. Demaneu al proveïdor que calculi la freqüència natural per a la geometria del tub i l'espaiat dels suports suggerits. Signatura de vibració, qualsevol canvi d'amplitud a determinades freqüències durant el funcionament pot indicar un afluixament dels suports o canvis en la concentració d'àcid fòrmic, que afecta la densitat del fluid. La selecció de la relació diàmetre-a-paret com a paràmetre de disseny ofereix a l'enginyer un control directe sobre la taxa d'erosió i corrosió en una de les aplicacions de calefacció més exigents mecànicament per a equips de titani.