Защо PFA нагревател, инсталиран в хоризонтална ориентация в резервоар за кипяща азотна киселина, развива пукнатини на горната повърхност в рамките на 6 месеца?

Хоризонтално монтиран PFA нагревател в резервоар с кипяща азотна киселина (напр. 20–30% HNO₃ при 105–110 градуса) редовно развива периферни пукнатини по горната повърхност в рамките на 3–6 месеца, докато вертикално монтиран нагревател при същата експлоатация може да издържи 2-3 години. Ускореното окислително влошаване, локализираното затопляне и покриването на парите допринасят за повредата. Непрекъснат слой от пари, който изолира PFA, се създава, когато кипящите мехурчета се издигат и събират по горната част на хоризонталната тръба. Докато дъното все още се охлажда от течност, температурата на горната повърхност се повишава от типичните 115–120 градуса до 180–250 градуса. PFA е силно окислен от интензивни пари на азотна киселина, които са затворени зад одеялото. Резултатите са бързо крехкост, напукване и в крайна сметка перфорация. За кипящи киселини хоризонталната ориентация е по същество неподходяща; силно се препоръчва вертикална инсталация.

Механизъм за покриване на парите от хоризонтални нагреватели
Парни мехурчета се появяват по цялата повърхност на нагревателя по време на ядрено кипене. Мехурчетата бързо се отделят и се издигат върху вертикален нагревател, като помитат повърхността и запазват контакта с течността. Мехурчетата, създадени в долната половина на хоризонтален нагревател, се издигат и удрят в горната половина, където се комбинират, за да образуват непрекъснат или полу{2}}непрекъснат слой пара. Под парното покритие коефициентът на топлопреминаване намалява от 5 000–10 000 W/m²·K (кипяща течност) до 100–300 W/m²·K (паров филм). Температурата на повърхността под парната покривка се повишава до T_surface=T_fluid + q/h=110 + 30,000/200=260 градуса за постоянен топлинен поток от 3 W/cm² (30 000 W/m²). Това е над безопасната температура за продължителна употреба на PFA от 200 градуса и се доближава до точката му на топене от 305 градуса. При термичен стрес PFA омекотява, окислява се бързо в пари на азотна киселина и се разцепва.

Периодичната влага причинява циклично напрежение и върху горната повърхност. Температурата варира на всеки няколко секунди между 110 градуса и 260 градуса, когато парното одеяло се натрупва и разпада. Периферентни пукнатини се получават от този термичен шок в хиляди цикли (дни до седмици).

Сравнение на хоризонталната и вертикалната производителност при кипене на 25% HNO₃ при 108 градуса
Ориентация Начало на напукване (месеци) Температура на горната повърхност (градуси) Температура на долната повърхност (градуси) Доминиращ режим на повреда Относителен живот Хоризонтално (25 mm OD) 210–260 115–125 3–6 Периферентни пукнатини отгоре 1,0× Хоризонтално с принудителна циркулация (0,5 m/s) 160–190 130–140 8–12 Обща деградация 2,0× Вертикално (същият нагревател) 115–125 115–125 24–366–8 години равномерно стареене
Хоризонтално с парозащита (перфориран метален капак отгоре) 130–150 120–130 18–24 Корозия по краищата на екрана 4–5× Хоризонтално, понижено до 1,5 W/cm² 150–180 110–120 12–18 Все още пукнатини 3× Защо азотната киселина ускорява щетите
Един мощен окислител е азотната киселина. Чрез окисляване на краищата на веригата и образуване на карбонил флуоридни групи, парите на HNO₃ бързо разграждат PFA при 200 градуса. Повърхността развива микропукнатини и става крехка (твърдостта се повишава от 66 до 78 Shore D). От друга страна, не-окислителните киселини или чистата вода се разграждат по-бавно. Само-цикълът на повреда се ускорява, когато се комбинират азотна киселина и парна покривка: парната покривка повишава температурата, което ускорява окисляването, което увеличава грапавостта на повърхността, което насърчава адхезията на мехурчета, което подобрява парната покривка.

Пример в полето
В 2000 L кипящ 25% HNO₃ резервоар (108 градуса), химически завод постави 6 kW PFA нагревател хоризонтално. Четири месеца по-късно, повреда в земята причини задействане на нагревателя. При инспекция беше открита 5 cm периферна пукнатина със значително крехкост и пожълтяване на горната повърхност. Вертикалният нагревател в същия резервоар в същата фабрика работеше безупречно в продължение на тридесет месеца. Съоръжението не е имало повече ранни повреди след подмяната на хоризонталния нагревател с вертикална инсталация. За всяка услуга с кипяща киселина хоризонталният монтаж вече е забранен.

Намаляване на необходимите хоризонтални инсталации
Три стъпки намаляват опасността от напукване на горната повърхност, ако не може да се избегне хоризонтална ориентация (плитки резервоари, ограничения на пространството):

Инсталирайте парозащита: За да избегнете непрекъснато парно покритие и да нарушите коалесценцията на мехурчетата, поставете перфорирана плоча от неръждаема стомана с 5 mm отвори и 40% отворена площ 10–20 mm над нагревателя. Щитът работи при сравнима температура, но тъй като е метален, не може да се окислява.

По-ниска плътност на вата: Дори при частично покритие от пара, поддържайте температурата на горната повърхност под 150 градуса, като работите при по-малко или равно на 1,5 W/cm².

Включете принудителна циркулация: Преди мехурчетата да се слеят, те се измиват от горната повърхност от бъркалка или рециркулационна помпа, движеща се със скорост над 0,3 m/s.

Седмично завъртане на нагревателя на 180 градуса разпределя топлинното натоварване, но просто отлага повредата.

В заключение, бързото напукване на горната повърхност се причинява от хоризонтално монтиране в кипяща азотна киселина.
В рамките на три до шест месеца парното покритие причинява появата на периферни пукнатини върху горната повърхност на PFA нагревател, поставен хоризонтално в резервоар с кипяща азотна киселина. Тъй като мехурчетата се натрупват в горната част, се създава изолиращ слой от пари, повишавайки температурата на PFA над 200 градуса и ускорявайки напукването при термичен шок и окислителното разграждане. Чрез премахване на парното одеяло, вертикалната ориентация увеличава живота на нагревателя до две до три години. Хоризонталното монтиране трябва да се избягва при работа с кипящи киселини. Използвайте принудителна циркулация, по-ниска плътност на вата или инсталирайте парни щитове, ако не можете да го предотвратите. Горната повърхност на хоризонталния нагревател във вряща киселина е рецепта за катастрофа. Сменяйте го често или го монтирайте вертикално.