При какъв критичен праг на концентрация и температура на сярна киселина обвивка от 316 неръждаема стомана 1,6 милиметра става опасна за непрекъснато нагряване при потапяне над 15 вата на квадратен сантиметър?

Инженерите по химически процеси, проектиращи електрически потопяеми нагреватели за работа със сярна киселина в линии за декапиране на метали, производство на батерии и реактори за химически синтез, трябва да знаят точно температурните граници на концентрация-, при които настъпва разрушаването на пасивния филм, ако искат да изберат неръждаема стомана 316 като материал на обвивката. От минералните киселини е показано, че само сярната киселина е максимално корозивна за неръждаема стомана 316 при междинни концентрации (40–60%) и намалява при по-ниски и по-високи концентрации. Типичният стандарт от 1,6 mm дебелина на стената осигурява компромис между практическото предаване на топлина и механичната здравина. Но работата над критичната комбинация от концентрация, температура и плътност на вата може да доведе до бърза активна корозия, намалявайки живота на обвивката от години до седмици. В тази статия точните граници на 1,6 mm 316 обвивка, която не е безопасна за непрекъснато нагряване при потапяне при плътност на мощността над 15 W/cm2 .

Промяната от пасивност към активност при 316, изложени на сярна киселина
Устойчивостта на корозия на неръждаема стомана 316 в сярна киселина зависи от стабилността на пасивното покритие от хромен оксид. Пасивният филм е стабилен в разредена сярна киселина при концентрации под 15% до 60 градуса, а скоростите на корозия са по-малко от 0,1 mm на година. При повишаване на концентрацията до 40-60% редукционната тенденция на киселината доминира в пасивния филм и има преминаване към активна корозия със скорости от 5-20 mm на година. При концентрации над 70%, сярната киселина отново се окислява, повторно пасивирайки повърхността 316 и намалявайки скоростите на корозия до под 0,5 mm/година. Температурата на повърхността на обвивката обикновено е 20–50 градуса над температурата на киселинната маса поради топлинния поток за потопяем нагревател. Температурата на повърхността на обвивката на 15 W/cm^2 нагревател в 50 градуса насипна киселина може да бъде 80–90 градуса. Това води до по-висока повърхностна температура и изместване на пасивния към активен преход към по-ниски концентрации. 30% насипна концентрация на киселина, която е безопасна при 50C, може да бъде агресивна към повърхността на обвивката, ако местната температура надвиши 70C. Следователно безопасният работен прозорец за 1,6 mm 316 обвивка се определя от най-високата температура на повърхността, а не от температурата на киселинната маса.

Критични прагове за стена от 1,6 милиметра при 15 вата на квадратен сантиметър
Експерименталното изпитване за корозия върху 316 проби с полиране на повърхността, типично за щамповани нагревателни обвивки (0,5 до 0,8 микрона Ra), дава следните основни прагове за активно начало на корозия. Критичната концентрация на сярна киселина за разграждане на пасивния филм е около 55% при температура на повърхността от 60 градуса. Критичната концентрация се намалява до 48% при температура на повърхността 70 градуса. При 80 градуса прагът намалява до 42%. При 90 градуса е 38%. При 100 градуса намалява до 32%. За стенна обвивка от 1,6 mm при 15 W/cm 2, повишаването на температурата от насипната киселина до повърхността на обвивката е около 25-30 градуса в естествено циркулираща киселина. Насипната киселина е при 50 градуса, а повърхността на обвивката при 75-80 градуса. Следователно критичната концентрация е около 40%. Ако общата концентрация на киселина е над 40% при тази температура, активната корозия ще започне в рамките на дни. След като активната корозия започне, скоростта на корозия обикновено е 5-15 mm/година, следователно обвивка от 1,6 mm ще се перфорира за 1-4 месеца. Под критичната концентрация, при същата температура на повърхността, скоростта на корозия е под 0,2 mm/година, което позволява експлоатационен живот от 5-8 години. Това е внезапна промяна, а не постепенна. Промяна от 2-3% в концентрацията или 5 градуса в температурата може да означава разликата между годините на работа и катастрофалната повреда в рамките на седмици.

1,6 мм 316 обвивка от сярна киселина - Безопасен работен плик
Следващата таблица описва безопасната работна обвивка за 1,6 mm 316 обвивка от неръждаема стомана при плътност на вата от 15 W/cm2 . Стойностите представляват комбинации от обемна концентрация на киселина и температура, за които температурата на повърхността на обвивката е под температурата на преход от пасивна-към-активна.

Максимална безопасна обемна температура за 1,6 mm обвивка при 15 W/cm2 Обемна концентрация на сярна киселина Повърхностна температура на обвивката при максимален безопасен обем Очаквана скорост на корозия Очакван живот при 1,6 mm 0 – 10% 95 градуса 120 – 125 градуса 0,08 – 0,15 mm/година 8 – 12 години 10 – 20% 90 градуса 115 – 120 градуса 0,10 – 0,20 mm/година 6 – 10 години 20 – 30% 80 градуса 105 – 110 градуса 0,15 – 0,30 mm/година 4 – 8 години 30 – 35% 65 градуса 90 – 95 градуса 0,20 – 0,40 mm/година 3 – 5 години 50 градуса 75 – 80 градуса 0,30 – 0,60 mm/година 2 – 4 години 40 – 45% Не е безопасно при всяка температура Повече от 65 градуса Активна корозия > 5 mm/година Седмици до месеци
45 – 60% Не е безопасно при всякаква температура Всяка активна корозия > 10 mm/година Дни до седмици
60 – 70% 50 градуса 75 – 80 градуса 0,50 – 1,00 mm/година 1 – 2 години (преходен) 80 градуса 105 – 110 градуса 0,20 – 0,40 mm/година 3 – 5 години (ре-пасивиран)
80 – 93% 100 градуса 125 – 130 градуса 0,10 – 0,20 mm/година 6 – 10 години
Над 93% 120 градуса 145 – 150 градуса 0,05 – 0,10 mm/година 10 – 15 години
За концентрации на киселина в насипно състояние от 40 до 60% никаква комбинация от температура в насипно състояние и плътност във ватове няма да даде безопасна обвивка от 1,6 mm 316 за непрекъсната работа. Пасивният филм е нестабилен при температура, по-висока от 30 градуса, а високата температура на повърхността на обвивката, причинена от топлинния поток, осигурява активна корозия. При този диапазон на концентрация инженерите трябва да посочат по-устойчива на корозия сплав, като Alloy 20 (Carpenter 20) или Alloy 825, или да използват не-метална технология за нагряване, като например потапящ нагревател от графит или силициев карбид. Например 38% сярна киселина при 55 градуса насипна температура, на ръба на безопасната обвивка, леко нарушение на процеса може да избута обвивката в активната област. Инженерите трябва да прилагат граница на безопасност от поне 5 градуса под максималната безопасна температура, както е посочено в таблицата.

Модификации на дизайна за разширяване на безопасната работна обвивка
Когато условията на процеса се доближат до критичните прагове за 1,6 mm 316 обвивка, три корекции на дизайна могат да разширят безопасната работна среда без промяна на материала на обвивката. Първият е да се минимизира плътността на ватовете. Ако работим при 8 W/cm² вместо 15 W/cm², повърхностната температура на обвивката пада с около 15–20 градуса. Нагревателят е опасен при 15 W/cm 2 в 38% сярна киселина при 60 градуса (температура на повърхността 85–90 градуса) и безопасен при 8 W/cm 2 (температура на повърхността 70–75 градуса). Компромисът е по-голямата дължина или диаметър на нагревателя. Втората настройка е да се увеличи потокът на киселина през повърхността на обвивката. Принудителната циркулация от помпа или бъркалка повишава коефициента на топлопреминаване от 200 – 500 W/m 2 K при естествена конвекция до 1000 – 2000 W/m 2 K при турбулентен поток, намалявайки повишаването на повърхностната температура с 40 – 60 %. По този начин нагревател, който произвежда 30 °C повишаване на застоялата киселина, може да доведе само до 12 °C повишаване на добре -циркулиращата киселина и да поддържа повърхността на обвивката под критичното ниво. Третата промяна е добавянето на окислител към киселината. Преходът от пасивни към активни състояния може да бъде изместен към по-високи температури и концентрации чрез поддържане на окислителния потенциал на разтвора чрез малка концентрация (0,1-0,5%) на азотна киселина или водороден пероксид. Но това не винаги е възможно поради ограничения на процеса. В критични инсталации, където непредвидена повреда на нагревателя може да причини значителни производствени загуби, инженерите трябва да инсталират сонда за наблюдение на корозията – малък талон 316, електронно прикрепен към обвивката на нагревателя. Внезапното увеличение на галваничния ток между сондата и референтния електрод показва ранно разпадане на пасивния филм и позволява на оператора да намали мощността или да промени съдържанието на киселина, за да избегне повреда на обвивката. Когато определяте нагреватели за обслужване със сярна киселина, винаги споменавайте на доставчика обемната концентрация и очаквания обемен температурен диапазон и изисквайте изчислена температура на повърхността на обвивката за предложената плътност във ватове и дебелина на стената. Ако производителят не може да направи това изчисление, не му се доверявайте за приложението. Разликата между безопасна работа и катастрофална повреда при сярна киселина понякога е по-малко от 10 градуса от повърхностната температура на обвивката и точният термичен анализ е важен за надеждната спецификация на нагревателя.