Lokalize Kaynamayı-Endüklenen Korozyonu Önlemek İçin 90 Derecede %15 Sülfürik Asite Batırılan Titanyum Sınıf 7 Kılıf Isıtıcısı için İzin Verilen Maksimum Isı Akısı Nedir?

Sülfürik asit işlemindeki yüksek sıcaklıklar, titanyum ısıtma ekipmanı için zorlu bir ortamdır. Derece 7 titanyum (Ti-0.15Pd), sıradan daldırma koşulları altında 90 derece C'de %15 H2SO4'te iyi bir korozyon direncine sahiptir, ancak yerel kimya, sıcak bir yüzeyin varlığıyla büyük ölçüde değişir. Titanyum kılıf yüzeyinde, sülfürik asit çözeltisinin yerel kaynaması, ısı akışı kritik bir değere ulaştığında metal{12}}sıvı arayüzünde gerçekleşir. Kaynama, asitin ısıtılmış yüzey yakınında yoğunlaşmasına neden olur ve yerel sıcaklığı kütlenin 90 derecenin üzerine çıkarır ve korozyon davranışını pasiften aktife değiştirebilir. Sonuç, buhar{17}}sıvı arayüzünde bir korozyon halkası veya yapışan buhar kabarcıklarının hemen altında çukurlaşma olarak görülen hızlandırılmış bir saldırıdır. Bu makale, kaynamanın neden olduğu korozyon mekanizmasını önlemek için 90 derecede %15 sülfürik asit içindeki 7. Sınıf titanyum kılıf ısıtıcıları için izin verilen maksimum ısı akışını belirler.

Kaynama Nedeniyle Oluşan Korozyon Süreci
Sülfürik asit, kaynama noktası konsantrasyonuna bağlı olan,-azeotropik olmayan bir çözeltidir. Atmosfer basıncında %15 H₂SO₄ için toplu kaynama noktası yaklaşık 103 derecedir. Isıtıcı kılıfı yüzey sıcaklığı yerel kaynama sıcaklığını aştığında yüzey kusurlarında buhar kabarcıkları çekirdeklenir. Baloncuğun oluşması, kendisiyle sıcak yüzey arasındaki sıvı filmin buharlaşmasına neden olur ve sülfürik asit bu ince tabakada yoğunlaşır. Konsantrasyon, kabarcık çekirdeklenmesinden milisaniyeler içinde %15'ten %30-50'ye artabilir ve kabarcığın altındaki metal yüzeyindeki yerel sıcaklık, duvarın aşırı ısınma sıcaklığına, genellikle toplu kaynama noktasının 5-20 derece üzerine ulaşır.

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/yıl. Kaynama-indüklenen konsantrasyon katmanı, agresif koşulları tam olarak yerel olarak oluşturur ve kabarcık çekirdeklenme bölgelerinde hızlı bir metal kaybına neden olur.

Isı Akısı Eşiği Tayini
%15 sülfürik asidin 90 derecede çekirdek kaynaması için kritik ısı akışı (CHF), buhar kabarcığı oluşumunun konsantre bir asit katmanını sürdürecek kadar kuvvetli olduğu durumdur. CHF altında, kabarcıklar periyodik olarak ortaya çıkar ve hızlı bir şekilde uzaklaşarak, ciddi korozyon başlamadan önce konsantre kaplamanın yığının içine dahil olmasını sağlar. CHF'nin üzerinde kabarcık yoğunluğu artar, birleşme meydana gelir ve sürekli bir buhar filmi oluşabilir (film kaynamasına geçiş). Bu etkiler konsantrasyonu ve korozyonu hızlandırır.

90 derecede %15 H2SO4 içerisine batırılmış Grade 7 titanyum test probu ile yapılan deneysel çalışmalar, 35 kW/m2'yi aşan ısı akışlarında korozyon oranında ani bir artış olduğunu ortaya koymaktadır. 25 kW/m2'de korozyon oranı 0,05 mm/yıl'dan azdır. 35 kW/m2'de oran 0,10 mm/yıl'a çıkar; bu da çoğu uygulama için kabul edilebilir düzeydedir. 45 kW/m2'de oran 0,35 mm/yıl'a çıkar. Hız, 55 kW/m²'de yılda 0,8 mm'yi aşıyor ve buhar{21}}sıvı arayüzünde görünür halka korozyonu meydana geliyor. Hızlı yerel saldırı, 1,65 mm'lik bir duvarı 65 kW/m2'de 1000 saatte delmektedir.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 yıl) çalışma 40 kW/m²'dir. Hizmet ömrü 2-3 yıl olan uygulamalar için 50 kW/m2'ye izin verilir. Değer 60 kW/m²'nin üzerindeyse et kalınlığı ne olursa olsun Grade 7 titanyum uygun değildir.

Azaltıcı Faktörler ve Uygulama Matrisi
Çalışma koşulu ve ısıtıcı kurulumu İzin Verilen Maksimum Isı Akısı (kW/m2) Beklenen Korozyon Mekanizması Önerilen Duvar Kalınlığı
Dikey yönlendirme, tamamen suya batırılmış, iyi doğal konveksiyon 40 kW/m² (sürekli) Düzgün pasif korozyon<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Tamamen daldırılmış, yatay hizalama, iyi konveksiyon 35 kW/m² Üst yüzeyde düşük kaynama konsantrasyonu 1,65 mm
Kısmen batık (buhar-sıvı arayüzü mevcut) 25 kW/m2 Menisküs halkası korozyonu 2,0 mm veya kısmi batmayı önleyin
Karıştırılmış tank (mekanik veya hava püskürtmeli) 50 kW/m² Karıştırmayla kabarcıklar kırılır, konsantrasyonu azaltır 1,2-1,5 mm
Düşük sirkülasyon, durgun tank 30 kW/m2Kabarcık ömrü saldırıyı 1,65 mm artırır
Yüzey kirlenmesi/ölçeklenmesi olan herhangi bir servis 25 kW/m2 Kirlenme yerel yüzey sıcaklığını 2,0 mm artırır Pratik Tasarım Önerileri
90 derecede %15 sülfürik asit içine batırılmış 7. Sınıf titanyum kılıflı ısıtıcı için kaynama korozyonu olmadan sürekli çalışma için izin verilen maksimum ısı akışı 40 kW/m^2'dir. Bu ısı akışı, metal yüzeyi 100 derecenin altında tutarak, buhar kabarcığı çekirdeklenmesinin tahrik gücünü sınırlandırarak, sıvı yığın sıcaklığının yaklaşık 8-10 derece üzerinde bir yüzey sıcaklığına yol açar. Mühendisler bu kısıtlama dahilinde arzu edilen bir ısıtma hızı elde etmek için watt yoğunluğu yerine ısıtılan yüzey alanını arttırmalıdır. Aynı toplam güç, daha uzun bir ısıtıcı veya daha küçük çaplı birçok tüpün birlikte kullanılmasıyla daha düşük bir ısı akışında sağlanabilir. Isıtıcıyı sipariş ettiğinizde hesaplanan kılıf ısı akışını (toplam gücün batık kılıf yüzey alanına bölünmesiyle) isteyin ve bunun 40 kW/m2'den büyük olmadığından emin olun. Sirkülasyonun zayıf olduğu veya kısmi daldırmanın kaçınılmaz olduğu sistemlerde, izin verilen akıyı 25-30 kW/m2'ye düşürün veya buhar püskürtme gibi alternatif bir ısıtma yöntemi seçin.