Quin és el flux de calor màxim permès per a un escalfador de beina de titani de grau 7 submergit en àcid sulfúric al 15% a 90 graus per evitar l'ebullició localitzada-corrosió induïda?

Les altes temperatures en el funcionament de l'àcid sulfúric són un entorn dur per als equips de calefacció de titani. El titani de grau 7 (Ti-0,15Pd) té una bona resistència a la corrosió en un 15% d'H2SO4 a 90 graus C en circumstàncies d'immersió normals, però la química local canvia molt per la presència d'una superfície calenta. A la superfície de la funda de titani, l'ebullició local de la solució d'àcid sulfúric es realitza a la interfície líquida-metall quan el flux de calor arriba a un valor crític. L'ebullició condueix a la concentració de l'àcid prop de la superfície escalfada i augmenta la temperatura local per sobre dels 90 graus a granel, i pot alterar el comportament de la corrosió de passiu a actiu. El resultat és un assalt accelerat vist com un anell de corrosió a la interfície de vapor-líquid o com una picada immediatament a sota de les bombolles de vapor adherides. Aquest article determina el flux de calor màxim permès per als escalfadors de beina de titani de grau 7 en àcid sulfúric al 15% a 90 graus per evitar aquest mecanisme de corrosió induït per l'ebullició.

Procés de corrosió causat per ebullició
L'àcid sulfúric és una solució no-azeotròpica el punt d'ebullició de la qual depèn de la seva concentració. Per al 15% de H₂SO₄ a pressió atmosfèrica, el punt d'ebullició a granel és d'uns 103 graus. Les bombolles de vapor es nucleen a les imperfeccions de la superfície quan la temperatura de la superfície de la coberta de l'escalfador supera la temperatura d'ebullició local. La formació de la bombolla fa que la pel·lícula líquida entre aquesta i la superfície calenta s'evapori, concentrant l'àcid sulfúric en aquesta capa fina. La concentració pot augmentar del 15% al ​​30-50% en mil·lisegons a partir de la nucleació de la bombolla i la temperatura local a la superfície metàl·lica sota la bombolla arriba a la temperatura de sobreescalfament de la paret, generalment 5-20 graus C per sobre del punt d'ebullició a granel.

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/any. La capa de concentració induïda-l'ebullició crea localment les condicions agressives amb precisió, donant lloc a una ràpida pèrdua de metall als llocs de nucleació de la bombolla.

Determinació del llindar del flux de calor
El flux de calor crític (CHF) per a l'ebullició nucleada d'àcid sulfúric al 15% a 90 graus és la condició en què la formació de bombolles de vapor és prou vigorosa per mantenir una capa d'àcid concentrat. Sota CHF, les bombolles apareixen periòdicament i surten ràpidament, permetent que el recobriment concentrat s'incorpori a la massa abans que comenci la corrosió greu. Per sobre de CHF, la densitat de la bombolla augmenta, es produeix una coalescència i es pot formar una pel·lícula de vapor contínua (transició a l'ebullició de la pel·lícula). Aquests efectes acceleren la concentració i la corrosió.

Estudis experimentals amb una sonda de prova de titani de grau 7 immersa en un 15% de H2SO4 a 90 graus revelen un augment sobtat de la taxa de corrosió a fluxos de calor superiors a 35 kW/m2. La taxa de corrosió a 25 kW/m2 és inferior a 0,05 mm/any. A 35 kW/m2, la taxa puja a 0,10 mm/any, encara acceptable per a la majoria d'aplicacions. A 45 kW/m2, la taxa puja a 0,35 mm/any. La velocitat supera els 0,8 mm anuals a 55 kW/m² i la corrosió de l'anell visible es produeix a la interfície de vapor-líquid. L'atac local ràpid perfora una paret d'1,65 mm en 1000 hores a 65 kW/m{sup 2}.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 anys) de funcionament és de 40 kW/m². Per a aplicacions amb una vida útil de 2-3 anys, es permet 50 kW/m2. Si el valor és superior a 60 kW/m², el titani de grau 7 no és adequat, independentment del gruix de la paret.

Factors atenuants i matriu d'aplicació
Condicions de funcionament i configuració de l'escalfador Flux de calor màxim permès (kW/m2) Mecanisme de corrosió previst Gruix de paret recomanat
Orientació vertical, totalment submergit, bona convecció natural 40 kW/m² (continua) Corrosió passiva uniforme<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Totalment submergit, alineació horitzontal, bona convecció 35 kW/m² Baixa concentració d'ebullició a la superfície superior 1,65 mm
Parcialment submergit (interfície líquid-vapor present) 25 kW/m2 Corrosió de l'anell menisc 2,0 mm o evitar la submersió parcial
Tanc d'agitació (mecànic o d'aire) 50 kW/m² Bombolles trencades per agitació, disminueix la concentració 1,2-1,5 mm
Circulació baixa, dipòsit estancat 30 kW/m2 La longevitat de la bombolla augmenta l'atac 1,65 mm
Qualsevol servei amb incrustació/escalada superficial 25 kW/m2 La contaminació augmenta la temperatura de la superfície local 2,0 mm Recomanacions pràctiques de disseny
El flux de calor màxim permès per a un servei continu sense corrosió bullent per a un escalfador de funda de titani de grau 7 immers en àcid sulfúric al 15% a 90 graus és de 40 kW/m^2. Aquest flux de calor condueix a una temperatura superficial d'uns 8-10 graus per sobre de la temperatura del líquid a granel, mantenint la superfície metàl·lica per sota dels 100 graus i limitant la potència motriu per a la nucleació de bombolles de vapor. Els enginyers haurien d'augmentar la superfície escalfada en lloc de la densitat de watts per obtenir una velocitat d'escalfament desitjable dins d'aquesta limitació. La mateixa potència total es pot subministrar a un flux de calor més baix utilitzant un escalfador més llarg o molts tubs de diàmetre més petit en tàndem. Demaneu el flux de calor de la coberta calculat (potència total dividida per la superfície de la coberta submergida) quan demaneu l'escalfador i assegureu-vos que no sigui superior a 40 kW/m2. En sistemes amb mala circulació o on la submersió parcial és inevitable, reduïu el flux admissible a 25-30 kW/m2 o trieu un mètode de calefacció alternatiu, com ara el burbujatge de vapor.