Когато титаниева нагревателна тръба се използва за повторно нагряване на кондензираща пара, съдържаща отлагания от амониев хлорид (NH₄Cl) в надземна линия на рафинерия, как дебелината на отлаганията под обвивката причинява локализирани горещи точки и образуване на водородни мехури?

Основният компромис-в дизайна на титаниевия нагревател за режийно обслужване на рафинериите
Горните тръби на рафинерията имат отлагания от амониев хлорид (NH4 Cl) в парния кондензат. Отлаганията са резултат от смесването на NH3 и HCl от обработката на суров нефт в кондензиращата пара. Титаниеви нагревателни тръби са инсталирани за повторно нагряване на кондензата, за да се предотврати корозия в тръбопровода от въглеродна стомана надолу по веригата. Отлаганията на NH₄Cl се натрупват върху повърхността на титановата обвивка. Тези отлагания са хигроскопични и дават концентрирана саламура, когато са мокри. Най-критичният им ефект е термичен: NH4Cl има много ниска топлопроводимост (около 0,5-0,8 W/mK) в сравнение с титана (17 W/mK). Еднократно отлагане на слой с дебелина 1 mm причинява скок на температурата от 20–40 градуса при контактния депозит-титан. Това локално прегряване създава два режима на повреда: горещи точки, които увреждат вътрешната MgO изолация и водородни мехури от разпадането на NH4Cl. Дебелината на стената увеличава повишаването на температурата, но дебелината на отлаганията е доминиращата променлива. Това изследване показва механизма и че управлението на депозитите е по-важно от дебелината на стената.

Механизъм за образуване на водородни мехури - Влияние върху механичната цялост
The ammonium chloride decomposes under the NH₄Cl deposit at a titanium sheath temperature >120 градуса: NH₄Cl → NH3 + HCl. HCl е доста корозивен и уврежда титановия пасивен слой, произвеждайки атомен водород като страничен -продукт: Ti + 3HCl → TiCl₃ + 3H. Атомният водород се поема в титановата решетка. Той се -комбинира до молекулярен H2 на границата на зърното, или включване, или празнота. Водородният газ не може да дифундира повече и натрупва локално налягане, създавайки мехури-повдигнати куполообразни-издутини по повърхността на обвивката. Мехурите могат да бъдат с диаметър 2–5 mm и височина 0,1–0,5 mm. Блистерът се спуква, тъй като водородът все още се произвежда. Това образува яма, която преминава през стената.

The deposit below which breakdown occurs is remarkably thin. Field measurements of NH4Cl deposits of 0.5-1.0 mm on refinery overhead lines show sheath surface temperatures of 140-180°C at typical heat flux (2.0 W/cm2) above decomposition temperature of 120°C. Thicker deposits (2–3 mm) can reach temperatures >250 градуса и произвеждат бързо водородно образуване на мехури.

Ефект върху топлинните характеристики: Изчисляване на повишаването на температурата
Повишаването на температурата на интерфейса при Ti-депозита е Delta T=qx t_deposit / k_deposit, като q е топлинният поток, t_deposit е дебелината на депозита, а k_deposit е топлопроводимостта на NH₄Cl (~0,6 W/m·K). За типичен топлинен поток от 2,0 W/cm^2 (20 000 W/m^2) отлагане от 1,0 mm NH4Cl дава ΔT= 20,000x0,001/0.6=33 градуса. Когато температурата на насипния кондензат е 100 градуса, титаниевата повърхност под депозита се нагрява до 133 градуса. Допълнителният спад поради дебелината на титановата стена е незначителен (1-2 градуса) и е минимален по отношение на ефекта на депозита.

Компромис между синтеза: дебелината на депозита срещу необходимата дебелина на стената
NH4Cl Дебелина на отлаганията (mm) Повърхностна температура под отлагане (градуси) (q=2.0 W/cm2, насипно състояние=100 градуса ) Риск от образуване на водородни мехури Необходима толерантност на титановата стена (mm) mm 0.2 107 градуса Няма (Под прага от 120 градуса ) 0,8 (Структурно) 0.5 117 градуса Ниско (Маргинална) 1.0 1.0 133 степен Умерен (Поява на мехури след месеци) 1,5 (Мехури все още ще се образуват)
2.0 mm 167 °C High (blistering in weeks) >3 mm (неефективно)
3,0 мм 200 градуса Тежко (бързо образуване на мехури) Непрактично
Дори стена от 1,5 мм не спира да образува мехури, това просто означава, че получавате повече материал, преди мехурът да се спука и да изтече. Основното решение е да се избегне отлагането, а не дебелината на стената.

Проектиране на стената: Предотвратяване на отлагания и почистване
Дебелината на отлаганията е основната променлива. Най-добрите методи са тези, които не водят до натрупване на NH4Cl. Инсталирана е система за промиване с вода, която периодично пръска нагревателя с дейонизирана вода, за да разтвори отлаганията на NH₄Cl, преди да станат по-дебели от 0,2 mm. Дебелината на отлаганията е по-малка от 0,2 mm и температурата на повърхността е по-малка от 110 градуса. Не се наблюдава образуване на мехури, независимо от дебелината на стената при ежедневно измиване. Или PTFE незалепващо покритие (25–50 µm) предотвратява залепването на NH 4 Cl върху титановата повърхност. Покритието трябва да бъде лишено от дупки, тъй като температурният градиент бързо ще натрупа отлагания върху открития титан. Друга възможност е да работите с нагревателя при по-нисък топлинен поток (1,0 W/cm 2 вместо 2,0 W/cm 2 ), което намалява Δ T чрез 1,0 mm отлагания от 33 градуса на 17 градуса, като същевременно поддържа повърхността под 120 градуса дори при значително натрупване на отлагания-. Това е компромис между по-голяма повърхност на нагревателя или по-дълго време за нагряване.

Заключение: Дебелината на стената не предотвратява образуването на мехури, а управлението на депозитите го прави
Когато кондензиращата пара, съдържаща отлагания от амониев хлорид, се нагрява повторно от титаниева нагревателна тръба в надземна линия на рафинерия, дебелината на отлаганията под обвивката е основната променлива, влияеща върху локализираните горещи точки и образуването на водородни мехури. NH4Cl има много ниска топлопроводимост (≈0,6 W/mK), следователно отлагане от 1,0 mm причинява увеличение от 33 градуса в повърхностната температура на титания при типичен топлинен поток, надвишавайки прага на разпадане от 120 градуса. Разлагането води до HCl корозия, което води до атомен водород, който причинява образуване на мехури и в крайна сметка изтичане. Препоръчителната спецификация не е по-дебела титаниева стена (с малко предимство), а стратегия за предотвратяване на отлаганията: или ежедневно почистване с вода, за да се поддържа дебелината на отлаганията под 0,2 mm, или PTFE незалепващо покритие. Дебелината на стената не е основна променлива при контролирането на образуването на мехури, въпреки че трябва да бъде 1,2–1,5 mm за структурна стабилност. Предоставете на производителя предвидената концентрация на NH₄Cl и осъществимостта на водното измиване. Ако не регулирате отлаганията, дори 3,0-милиметрова титаниева стена може да се образува на мехури и да се разпадне за няколко месеца." Контролът на отлаганията предлага повече от 10 години експлоатационен живот в основна 1,2-милиметрова стена.