Sienos temperatūra, kuri lemia skilimo mechanizmą
Sieros rūgšties anodavimo linijai, veikiančiai 20 laipsnių temperatūroje su 15% sieros rūgštimi, aušinimui reikalingas šilumokaitis. Vamzdžio sienelės temperatūra yra artima proceso temperatūrai, nes šilumos srautas mažas, o aušinimo vanduo tik keliais laipsniais žemesnis už procesą. PTFE vamzdis veikia 20–25 laipsnių temperatūroje, kuri yra daug žemesnė už temperatūrą, kuriai esant suaktyvėja bet koks skilimo mechanizmas. Vamzdžių tarnavimo laiką lemia mechaniniai veiksniai, o tarnavimo laikas yra 15–20 metų.
Cheminio apdorojimo įrenginyje, kuriame sieros rūgštis koncentruojama 150 laipsnių temperatūroje, šildymui reikalingas šilumokaitis. Vamzdžio sienelės temperatūrą lemia šilumos srautas ir vamzdžio sienelės šiluminė varža. 2,0 W/cm² šilumos srautui ir 0,8 mm sienai sienos temperatūra yra maždaug 215 laipsnių. Esant tokiai temperatūrai, sieros rūgštis atakuoja PTFE išmatuojamu greičiu, o vamzdžio tarnavimo laiką lemia cheminis skilimas, o ne mechaniniai veiksniai.
Sienelės temperatūros riba tarp šių dviejų režimų yra maždaug 180–200 laipsnių, naudojant sieros rūgštį. Žemiau šios slenksčio skilimo greitis yra lėtas, o vamzdžio tarnavimo laiką lemia mechaniniai veiksniai. Virš šios ribos skilimo greitis sparčiai didėja, o vamzdžio tarnavimo laikas mažėja didėjant temperatūrai.
Cheminio skilimo mechanizmas virš slenksčio
PTFE skaidymas karštoje sieros rūgštyje vyksta oksiduojant amorfines polimero sritis. Sieros rūgštis, ypač esant didelei koncentracijai, yra stiprus oksidatorius aukštoje temperatūroje. Rūgštis puola grandinės galus ir defektų vietas amorfinėse srityse, suardydama polimero grandines ir sudarydama mažesnius fragmentus, kurie ištirpsta arba yra nunešami proceso skysčio.
Skilimo greitis didėja eksponentiškai didėjant temperatūrai. 10 laipsnių temperatūros padidėjimas maždaug dvigubai padidina skilimo greitį. Skirtumas tarp 180 laipsnių ir 220 laipsnių yra 16 kartų degradacijos greičio koeficientas.
Degradacija nėra vienoda visoje vamzdžio sienelėje. Ataka prasideda paviršiuje ir plinta į vidų. Paviršius tampa šiurkštus ir porėtas, sumažėja mechaninis stiprumas. Laikui bėgant vamzdelio sienelė plonėja, o galiausiai vamzdelis plyšta.
Rūgščių koncentracijos poveikis
Skilimo greitis priklauso nuo sieros rūgšties koncentracijos. Praskiestos sieros rūgšties (mažiau 50%) oksidacijos potencialas yra mažesnis nei koncentruotos rūgšties (daugiau kaip 90%). Skilimo greitis 50% sieros rūgštyje 200 laipsnių temperatūroje yra maždaug pusė greičio 98% sieros rūgštyje toje pačioje temperatūroje.
Koncentracijos efektas ypač svarbus sieros rūgšties koncentravimo tarnyboje, kur rūgšties koncentracija didėja garuojant vandeniui. Šilumokaičio vamzdeliai koncentruotame sistemos gale mato didesnę rūgšties koncentraciją ir didesnį skilimo greitį nei vamzdžiai praskiestame gale.
Oksiduojančių teršalų poveikis
Skilimo greitį pagreitina sieros rūgštyje esantys oksiduojantys teršalai. Azoto rūgštis, chromo rūgštis ir vandenilio peroksidas yra įprasti teršalai, kurie padidina rūgšties oksidacijos potencialą. Net keli procentai azoto rūgšties gali padidinti skilimo greitį du ar tris kartus.
Teršalai taip pat turi įtakos maksimaliai leistinai sienos temperatūrai. Švarioje sieros rūgštyje slenkstis yra maždaug 200 laipsnių. Sieros rūgštyje, kurioje yra 5% azoto rūgšties, slenkstis yra maždaug 170 laipsnių. Sieros rūgštyje, kurioje yra 10% azoto rūgšties, slenkstis yra maždaug 150 laipsnių.
Leidžiamos sienos temperatūros kiekybinis įvertinimas
Toliau pateiktoje lentelėje apibendrinta maksimali leistina sienelės temperatūra skirtingomis sieros rūgšties eksploatavimo sąlygomis, atsižvelgiant į būtiną 10 metų tarnavimo laiką.
| Rūgščių koncentracija | Oksiduojantys teršalai | Didžiausia leistina sienos temperatūra | Degradacijos greitis ties riba | Rekomenduojamas vamzdžio sienelės storis |
|---|---|---|---|---|
| 15% H₂SO₂ | Nėra | 220 laipsnių | 0,05 mm per metus | 0,8 mm |
| 30 % H₂SO₂ | Nėra | 210 laipsnių | 0,06 mm/metus | 0,8 mm |
| 50% H₂SO₂ | Nėra | 200 laipsnių | 0,07 mm/metus | 0,8 mm |
| 70% H₂SO₂ | Nėra | 190 laipsnių | 0,08 mm/metus | 0,8 mm |
| 98% H₂SO₂ | Nėra | 180 laipsnių | 0,10 mm/metus | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₂ | 5% HNO3 | 170 laipsnių | 0,10 mm/metus | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₂ | 10% HNO3 | 150 laipsnių | 0,12 mm/metus | 1,0 mm |
| 98% H₂SO₂ | 5% HNO3 | 150 laipsnių | 0,15 mm/metus | 1,2 mm |
Didžiausios leistinos sienos temperatūros vertės reiškia, kad reikalingas 10 metų tarnavimo laikas ir mažiausias leistinas sienelės storis – 0,3 mm. Skilimo greičiai pagrįsti lauko duomenimis, gautais iš sieros rūgšties ir laboratorinių tyrimų.
Mechaninė streso sąveika
Didžiausią leistiną sienelės temperatūrą veikia vamzdžio mechaninis įtempis. Šiluminio ir slėgio įtempių derinys sumažina leistiną temperatūrą, nes skilimo greitis didėja didėjant įtempimui.
Mechaninis įtempis turi du efektus. Pirma, įtempis padidina rūgšties difuzijos greitį į PTFE, atidarydamas amorfines polimero sritis. Antra, įtempimas sumažina vamzdžio mechaninį stiprumą, o tai sumažina leistiną sienelės praradimą prieš plyšimą.
Įtempių poveikis ypač svarbus vamzdžių{0}}su -vamzdžio lakštų jungtyse, kur įtempių koncentracija yra didžiausia. Didžiausia leistina sienelės temperatūra jungties vietoje paprastai yra 10–20 laipsnių žemesnė nei vamzdžio korpuse.
Dizaino savybės, mažinančios sienos temperatūrą
Kai kurios konstrukcijos ypatybės sumažina vamzdžio sienelės temperatūrą tam tikrai šilumos apkrovai.
Didesnis paviršiaus plotas.Didesnis paviršiaus plotas sumažina šilumos srautą, o tai sumažina sienos temperatūrą. 50 % padidinus paviršiaus plotą, šilumos srautas ir sienos temperatūra sumažėja maždaug 33 %.
Plonesnė vamzdžio sienelė.Plonesnė siena sumažina šiluminę varžą ir sienos temperatūrą tam pačiam šilumos srautui. 0,5 mm siena turi perpus mažesnę šiluminę varžą nei 1,0 mm siena.
Didesnio laidumo vamzdžio medžiaga.Užpildyto PTFE junginio, kurio šilumos laidumas yra 0,5 W/m·K, sienelės šiluminė varža yra perpus mažesnė nei gryno PTFE.
Didesnis proceso srauto greitis.Didesnis srauto greitis padidina proceso{0}}šoninės plėvelės koeficientą ir sumažina sienos temperatūrą.
Didesnis aptarnavimo{0}pusio srauto greitis.Didesnis garų ar karšto vandens greitis padidina aptarnavimo{0}}pusės plėvelės koeficientą ir sumažina sienos temperatūrą.
Srauto paskirstymo antraštė.Srauto paskirstymo antgalis užtikrina tolygų srautą per vamzdžių pluoštą, o tai apsaugo nuo vietinių karštų taškų.
Vamzdžių medžiagų palyginimas aukštoje{0}}temperatūros sieros rūgšties paslaugoms
Toliau pateiktoje lentelėje apibendrinama maksimali leistina sienelės temperatūra ir skirtingų PTFE vamzdžių medžiagų eksploatavimo laikas naudojant 98 % sieros rūgštį, kai šilumos srautas yra 1,5 W/cm².
| Vamzdžio medžiaga | Šilumos laidumas | Sienos temperatūra 1,5 W/cm² | Tarnavimo laikas 180 laipsnių kampu | Tarnavimo laikas 200 laipsnių kampu | Tarnavimo laikas 220 laipsnių kampu |
|---|---|---|---|---|---|
| Virgin PTFE | 0.25 W/m·K | 210 laipsnių | 10-15 metų | 5-8 metai | 2-3 metai |
| Aukšto{0}}kristališkumo PTFE | 0.26 W/m·K | 205 laipsnių | 12-18 metų | 6-10 metų | 3-4 metai |
| Grafito{0}}užpildytas PTFE | 0.50 W/m·K | 165 laipsnių | 15-20 metų | 10-15 metų | 5-8 metai |
| Anglies-užpildytas PTFE | 0.65 W/m·K | 150 laipsnių | 15-20 metų | 12-18 metų | 8-12 metų |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 laipsnių | 8-12 metų | 4-6 metai | 1-2 metai |
Eksploatacijos trukmės vertės yra įvertintos remiantis lauko duomenimis ir laboratoriniais tyrimais. Tikrasis eksploatavimo laikas skirsis priklausomai nuo rūgšties chemijos, mechaninio įtempimo ir veikimo.
Sieros rūgšties tarnybos specifikacijų parametrai
Įrangos inžinieriai, nurodantys PTFE šilumokaitį sieros rūgšties priežiūrai, su tiekėju turėtų patvirtinti šiuos parametrus.
Rūgščių koncentracija.Nurodykite didžiausią koncentraciją ir numatomą diapazoną.
Oksiduojantys teršalai.Nurodykite azoto rūgšties, chromo rūgšties, vandenilio peroksido ar kitų oksiduojančių medžiagų koncentraciją.
Darbinė temperatūra.Nurodykite maksimalią darbinę temperatūrą ir numatomą temperatūros profilį.
Šilumos apkrova ir paviršiaus plotas.Nurodykite šilumos apkrovą ir reikiamą paviršiaus plotą.
Šilumos srautas.Nurodykite didžiausią leistiną šilumos srautą pagal sienos temperatūros ribą.
Vamzdžio sienelės storis.Nurodykite vamzdžio sienelės storį pagal šilumos srautą ir leistiną sienelės temperatūrą.
Vamzdžio medžiaga.Nurodykite vamzdžio medžiagą pagal sienelės temperatūrą ir skilimo greitį.
Tarnavimo trukmės reikalavimas.Nurodykite numatomą tarnavimo laiką ir keitimo grafiką.
Temperatūros stebėjimas.Nurodykite temperatūros jutiklius ir sienos temperatūros stebėjimo metodą.
Sienų temperatūros suderinimas su eksploatavimo trukmės reikalavimais
Maksimali leistina PTFE šilumokaičio vamzdžių sienelės temperatūra sieros rūgšties eksploatacijoje priklauso nuo rūgšties koncentracijos, oksiduojančių teršalų ir reikalingo tarnavimo laiko. Žemiau nei 180–200 laipsnių slenkstis, skilimo greitis yra lėtas, o vamzdžio tarnavimo laiką lemia mechaniniai veiksniai. Virš slenksčio skilimo greitis didėja eksponentiškai, o vamzdžio tarnavimo laikas greitai mažėja didėjant temperatūrai.
Sienos temperatūra turėtų būti parenkama atsižvelgiant į eksploatavimo trukmę ir bendras nuosavybės išlaidas. Žemesnė sienos temperatūra reikalauja didesnio paviršiaus ploto arba didesnio laidumo vamzdžio medžiagos, o tai padidina kapitalo sąnaudas. Tačiau žemesnė sienelės temperatūra prailgina vamzdžio tarnavimo laiką ir sumažina priežiūros išlaidas.
Sieros rūgšties paslaugų objektams, vertinantiems PTFE šilumokaičio galimybes, sienų temperatūra turi būti nurodyta pirkimo dokumentuose ir patikrinta pradedant eksploatuoti. Gamintojo pateikta numatytoji konfigūracija gali būti optimizuota kompaktiškumui, o ne tarnavimo laikui, o gaunama sienelės temperatūra gali viršyti degradacijos slenkstį.
Įrangos inžinieriai ir pirkimo specialistai, vertinantys PTFE šilumokaičio specifikacijas sieros rūgščiai ar kitoms korozinėms paslaugoms, gali paprašyti projekto peržiūros, apimančios rūgšties koncentraciją, oksiduojančius teršalus, darbo temperatūrą, šilumos srautą, vamzdžio sienelių storį ir vamzdžio medžiagą, kad įsitikintų, jog įrenginys atitinka faktines įrenginio eksploatavimo sąlygas ir eksploatavimo trukmės reikalavimus.
Sienos temperatūra, kuri lemia skilimo mechanizmą
Sieros rūgšties anodavimo linijai, veikiančiai 20 laipsnių temperatūroje su 15% sieros rūgštimi, aušinimui reikalingas šilumokaitis. Vamzdžio sienelės temperatūra yra artima proceso temperatūrai, nes šilumos srautas mažas, o aušinimo vanduo tik keliais laipsniais žemesnis už procesą. PTFE vamzdis veikia 20–25 laipsnių temperatūroje, kuri yra daug žemesnė už temperatūrą, kuriai esant suaktyvėja bet koks skilimo mechanizmas. Vamzdžių tarnavimo laiką lemia mechaniniai veiksniai, o tarnavimo laikas yra 15–20 metų.
Cheminio apdorojimo įrenginyje, kuriame sieros rūgštis koncentruojama 150 laipsnių temperatūroje, šildymui reikalingas šilumokaitis. Vamzdžio sienelės temperatūrą lemia šilumos srautas ir vamzdžio sienelės šiluminė varža. 2,0 W/cm² šilumos srautui ir 0,8 mm sienai sienos temperatūra yra maždaug 215 laipsnių. Esant tokiai temperatūrai, sieros rūgštis atakuoja PTFE išmatuojamu greičiu, o vamzdžio tarnavimo laiką lemia cheminis skilimas, o ne mechaniniai veiksniai.
Sienelės temperatūros riba tarp šių dviejų režimų yra maždaug 180–200 laipsnių, naudojant sieros rūgštį. Žemiau šios slenksčio skilimo greitis yra lėtas, o vamzdžio tarnavimo laiką lemia mechaniniai veiksniai. Virš šios ribos skilimo greitis sparčiai didėja, o vamzdžio tarnavimo laikas mažėja didėjant temperatūrai.
Cheminio skilimo mechanizmas virš slenksčio
PTFE skaidymas karštoje sieros rūgštyje vyksta oksiduojant amorfines polimero sritis. Sieros rūgštis, ypač esant didelei koncentracijai, yra stiprus oksidatorius aukštoje temperatūroje. Rūgštis puola grandinės galus ir defektų vietas amorfinėse srityse, suardydama polimero grandines ir sudarydama mažesnius fragmentus, kurie ištirpsta arba yra nunešami proceso skysčio.
Skilimo greitis didėja eksponentiškai didėjant temperatūrai. 10 laipsnių temperatūros padidėjimas maždaug dvigubai padidina skilimo greitį. Skirtumas tarp 180 laipsnių ir 220 laipsnių yra 16 kartų degradacijos greičio koeficientas.
Degradacija nėra vienoda visoje vamzdžio sienelėje. Ataka prasideda paviršiuje ir plinta į vidų. Paviršius tampa šiurkštus ir porėtas, sumažėja mechaninis stiprumas. Laikui bėgant vamzdelio sienelė plonėja, o galiausiai vamzdelis plyšta.
Rūgščių koncentracijos poveikis
Skilimo greitis priklauso nuo sieros rūgšties koncentracijos. Praskiestos sieros rūgšties (mažiau 50%) oksidacijos potencialas yra mažesnis nei koncentruotos rūgšties (daugiau kaip 90%). Skilimo greitis 50% sieros rūgštyje 200 laipsnių temperatūroje yra maždaug pusė greičio 98% sieros rūgštyje toje pačioje temperatūroje.
Koncentracijos efektas ypač svarbus sieros rūgšties koncentravimo tarnyboje, kur rūgšties koncentracija didėja garuojant vandeniui. Šilumokaičio vamzdeliai koncentruotame sistemos gale mato didesnę rūgšties koncentraciją ir didesnį skilimo greitį nei vamzdžiai praskiestame gale.
Oksiduojančių teršalų poveikis
Skilimo greitį pagreitina sieros rūgštyje esantys oksiduojantys teršalai. Azoto rūgštis, chromo rūgštis ir vandenilio peroksidas yra įprasti teršalai, kurie padidina rūgšties oksidacijos potencialą. Net keli procentai azoto rūgšties gali padidinti skilimo greitį du ar tris kartus.
Teršalai taip pat turi įtakos maksimaliai leistinai sienos temperatūrai. Švarioje sieros rūgštyje slenkstis yra maždaug 200 laipsnių. Sieros rūgštyje, kurioje yra 5% azoto rūgšties, slenkstis yra maždaug 170 laipsnių. Sieros rūgštyje, kurioje yra 10% azoto rūgšties, slenkstis yra maždaug 150 laipsnių.
Leidžiamos sienos temperatūros kiekybinis įvertinimas
Toliau pateiktoje lentelėje apibendrinta maksimali leistina sienelės temperatūra skirtingomis sieros rūgšties eksploatavimo sąlygomis, atsižvelgiant į būtiną 10 metų tarnavimo laiką.
| Rūgščių koncentracija | Oksiduojantys teršalai | Didžiausia leistina sienos temperatūra | Degradacijos greitis ties riba | Rekomenduojamas vamzdžio sienelės storis |
|---|---|---|---|---|
| 15% H₂SO₂ | Nėra | 220 laipsnių | 0,05 mm per metus | 0,8 mm |
| 30 % H₂SO₂ | Nėra | 210 laipsnių | 0,06 mm/metus | 0,8 mm |
| 50% H₂SO₂ | Nėra | 200 laipsnių | 0,07 mm/metus | 0,8 mm |
| 70% H₂SO₂ | Nėra | 190 laipsnių | 0,08 mm/metus | 0,8 mm |
| 98% H₂SO₂ | Nėra | 180 laipsnių | 0,10 mm/metus | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₂ | 5% HNO3 | 170 laipsnių | 0,10 mm/metus | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₂ | 10% HNO3 | 150 laipsnių | 0,12 mm/metus | 1,0 mm |
| 98% H₂SO₂ | 5% HNO3 | 150 laipsnių | 0,15 mm/metus | 1,2 mm |
Didžiausios leistinos sienos temperatūros vertės reiškia, kad reikalingas 10 metų tarnavimo laikas ir mažiausias leistinas sienelės storis – 0,3 mm. Skilimo greičiai pagrįsti lauko duomenimis, gautais iš sieros rūgšties ir laboratorinių tyrimų.
Mechaninė streso sąveika
Didžiausią leistiną sienelės temperatūrą veikia vamzdžio mechaninis įtempis. Šiluminio ir slėgio įtempių derinys sumažina leistiną temperatūrą, nes skilimo greitis didėja didėjant įtempimui.
Mechaninis įtempis turi du efektus. Pirma, įtempis padidina rūgšties difuzijos greitį į PTFE, atidarydamas amorfines polimero sritis. Antra, įtempimas sumažina vamzdžio mechaninį stiprumą, o tai sumažina leistiną sienelės praradimą prieš plyšimą.
Įtempių poveikis ypač svarbus vamzdžių{0}}su -vamzdžio lakštų jungtyse, kur įtempių koncentracija yra didžiausia. Didžiausia leistina sienelės temperatūra jungties vietoje paprastai yra 10–20 laipsnių žemesnė nei vamzdžio korpuse.
Dizaino savybės, mažinančios sienos temperatūrą
Kai kurios konstrukcijos ypatybės sumažina vamzdžio sienelės temperatūrą tam tikrai šilumos apkrovai.
Didesnis paviršiaus plotas.Didesnis paviršiaus plotas sumažina šilumos srautą, o tai sumažina sienos temperatūrą. 50 % padidinus paviršiaus plotą, šilumos srautas ir sienos temperatūra sumažėja maždaug 33 %.
Plonesnė vamzdžio sienelė.Plonesnė siena sumažina šiluminę varžą ir sienos temperatūrą tam pačiam šilumos srautui. 0,5 mm siena turi perpus mažesnę šiluminę varžą nei 1,0 mm siena.
Didesnio laidumo vamzdžio medžiaga.Užpildyto PTFE junginio, kurio šilumos laidumas yra 0,5 W/m·K, sienelės šiluminė varža yra perpus mažesnė nei gryno PTFE.
Didesnis proceso srauto greitis.Didesnis srauto greitis padidina proceso{0}}šoninės plėvelės koeficientą ir sumažina sienos temperatūrą.
Didesnis aptarnavimo{0}pusio srauto greitis.Didesnis garų ar karšto vandens greitis padidina aptarnavimo{0}}pusės plėvelės koeficientą ir sumažina sienos temperatūrą.
Srauto paskirstymo antraštė.Srauto paskirstymo antgalis užtikrina tolygų srautą per vamzdžių pluoštą, o tai apsaugo nuo vietinių karštų taškų.
Vamzdžių medžiagų palyginimas aukštoje{0}}temperatūros sieros rūgšties paslaugoms
Toliau pateiktoje lentelėje apibendrinama maksimali leistina sienelės temperatūra ir skirtingų PTFE vamzdžių medžiagų eksploatavimo laikas naudojant 98 % sieros rūgštį, kai šilumos srautas yra 1,5 W/cm².
| Vamzdžio medžiaga | Šilumos laidumas | Sienos temperatūra 1,5 W/cm² | Tarnavimo laikas 180 laipsnių kampu | Tarnavimo laikas 200 laipsnių kampu | Tarnavimo laikas 220 laipsnių kampu |
|---|---|---|---|---|---|
| Virgin PTFE | 0.25 W/m·K | 210 laipsnių | 10-15 metų | 5-8 metai | 2-3 metai |
| Aukšto{0}}kristališkumo PTFE | 0.26 W/m·K | 205 laipsnių | 12-18 metų | 6-10 metų | 3-4 metai |
| Grafito{0}}užpildytas PTFE | 0.50 W/m·K | 165 laipsnių | 15-20 metų | 10-15 metų | 5-8 metai |
| Anglies-užpildytas PTFE | 0.65 W/m·K | 150 laipsnių | 15-20 metų | 12-18 metų | 8-12 metų |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 laipsnių | 8-12 metų | 4-6 metai | 1-2 metai |
Eksploatacijos trukmės vertės yra įvertintos remiantis lauko duomenimis ir laboratoriniais tyrimais. Tikrasis eksploatavimo laikas skirsis priklausomai nuo rūgšties chemijos, mechaninio įtempimo ir veikimo.
Sieros rūgšties tarnybos specifikacijų parametrai
Įrangos inžinieriai, nurodantys PTFE šilumokaitį sieros rūgšties priežiūrai, su tiekėju turėtų patvirtinti šiuos parametrus.
Rūgščių koncentracija.Nurodykite didžiausią koncentraciją ir numatomą diapazoną.
Oksiduojantys teršalai.Nurodykite azoto rūgšties, chromo rūgšties, vandenilio peroksido ar kitų oksiduojančių medžiagų koncentraciją.
Darbinė temperatūra.Nurodykite maksimalią darbinę temperatūrą ir numatomą temperatūros profilį.
Šilumos apkrova ir paviršiaus plotas.Nurodykite šilumos apkrovą ir reikiamą paviršiaus plotą.
Šilumos srautas.Nurodykite didžiausią leistiną šilumos srautą pagal sienos temperatūros ribą.
Vamzdžio sienelės storis.Nurodykite vamzdžio sienelės storį pagal šilumos srautą ir leistiną sienelės temperatūrą.
Vamzdžio medžiaga.Nurodykite vamzdžio medžiagą pagal sienelės temperatūrą ir skilimo greitį.
Tarnavimo trukmės reikalavimas.Nurodykite numatomą tarnavimo laiką ir keitimo grafiką.
Temperatūros stebėjimas.Nurodykite temperatūros jutiklius ir sienos temperatūros stebėjimo metodą.
Sienų temperatūros suderinimas su eksploatavimo trukmės reikalavimais
Maksimali leistina PTFE šilumokaičio vamzdžių sienelės temperatūra sieros rūgšties eksploatacijoje priklauso nuo rūgšties koncentracijos, oksiduojančių teršalų ir reikalingo tarnavimo laiko. Žemiau nei 180–200 laipsnių slenkstis, skilimo greitis yra lėtas, o vamzdžio tarnavimo laiką lemia mechaniniai veiksniai. Virš slenksčio skilimo greitis didėja eksponentiškai, o vamzdžio tarnavimo laikas greitai mažėja didėjant temperatūrai.
Sienos temperatūra turėtų būti parenkama atsižvelgiant į eksploatavimo trukmę ir bendras nuosavybės išlaidas. Žemesnė sienos temperatūra reikalauja didesnio paviršiaus ploto arba didesnio laidumo vamzdžio medžiagos, o tai padidina kapitalo sąnaudas. Tačiau žemesnė sienelės temperatūra prailgina vamzdžio tarnavimo laiką ir sumažina priežiūros išlaidas.
Sieros rūgšties paslaugų objektams, vertinantiems PTFE šilumokaičio galimybes, sienų temperatūra turi būti nurodyta pirkimo dokumentuose ir patikrinta pradedant eksploatuoti. Gamintojo pateikta numatytoji konfigūracija gali būti optimizuota kompaktiškumui, o ne tarnavimo laikui, o gaunama sienelės temperatūra gali viršyti degradacijos slenkstį.
Įrangos inžinieriai ir pirkimo specialistai, vertinantys PTFE šilumokaičio specifikacijas sieros rūgščiai ar kitoms korozinėms paslaugoms, gali paprašyti projekto peržiūros, apimančios rūgšties koncentraciją, oksiduojančius teršalus, darbo temperatūrą, šilumos srautą, vamzdžio sienelių storį ir vamzdžio medžiagą, kad įsitikintų, jog įrenginys atitinka faktines įrenginio eksploatavimo sąlygas ir eksploatavimo trukmės reikalavimus.
Sienos temperatūra, kuri lemia skilimo mechanizmą
Sieros rūgšties anodavimo linijai, veikiančiai 20 laipsnių temperatūroje su 15% sieros rūgštimi, aušinimui reikalingas šilumokaitis. Vamzdžio sienelės temperatūra yra artima proceso temperatūrai, nes šilumos srautas mažas, o aušinimo vanduo tik keliais laipsniais žemesnis už procesą. PTFE vamzdis veikia 20–25 laipsnių temperatūroje, kuri yra daug žemesnė už temperatūrą, kuriai esant suaktyvėja bet koks skilimo mechanizmas. Vamzdžių tarnavimo laiką lemia mechaniniai veiksniai, o tarnavimo laikas yra 15–20 metų.
Cheminio apdorojimo įrenginyje, kuriame sieros rūgštis koncentruojama 150 laipsnių temperatūroje, šildymui reikalingas šilumokaitis. Vamzdžio sienelės temperatūrą lemia šilumos srautas ir vamzdžio sienelės šiluminė varža. 2,0 W/cm² šilumos srautui ir 0,8 mm sienai sienos temperatūra yra maždaug 215 laipsnių. Esant tokiai temperatūrai, sieros rūgštis atakuoja PTFE išmatuojamu greičiu, o vamzdžio tarnavimo laiką lemia cheminis skilimas, o ne mechaniniai veiksniai.
Sienelės temperatūros riba tarp šių dviejų režimų yra maždaug 180–200 laipsnių, naudojant sieros rūgštį. Žemiau šios slenksčio skilimo greitis yra lėtas, o vamzdžio tarnavimo laiką lemia mechaniniai veiksniai. Virš šios ribos skilimo greitis sparčiai didėja, o vamzdžio tarnavimo laikas mažėja didėjant temperatūrai.
Cheminio skilimo mechanizmas virš slenksčio
PTFE skaidymas karštoje sieros rūgštyje vyksta oksiduojant amorfines polimero sritis. Sieros rūgštis, ypač esant didelei koncentracijai, yra stiprus oksidatorius aukštoje temperatūroje. Rūgštis puola grandinės galus ir defektų vietas amorfinėse srityse, suardydama polimero grandines ir sudarydama mažesnius fragmentus, kurie ištirpsta arba yra nunešami proceso skysčio.
Skilimo greitis didėja eksponentiškai didėjant temperatūrai. 10 laipsnių temperatūros padidėjimas maždaug dvigubai padidina skilimo greitį. Skirtumas tarp 180 laipsnių ir 220 laipsnių yra 16 kartų degradacijos greičio koeficientas.
Degradacija nėra vienoda visoje vamzdžio sienelėje. Ataka prasideda paviršiuje ir plinta į vidų. Paviršius tampa šiurkštus ir porėtas, sumažėja mechaninis stiprumas. Laikui bėgant vamzdelio sienelė plonėja, o galiausiai vamzdelis plyšta.
Rūgščių koncentracijos poveikis
Skilimo greitis priklauso nuo sieros rūgšties koncentracijos. Praskiestos sieros rūgšties (mažiau 50%) oksidacijos potencialas yra mažesnis nei koncentruotos rūgšties (daugiau kaip 90%). Skilimo greitis 50% sieros rūgštyje 200 laipsnių temperatūroje yra maždaug pusė greičio 98% sieros rūgštyje toje pačioje temperatūroje.
Koncentracijos efektas ypač svarbus sieros rūgšties koncentravimo tarnyboje, kur rūgšties koncentracija didėja garuojant vandeniui. Šilumokaičio vamzdeliai koncentruotame sistemos gale mato didesnę rūgšties koncentraciją ir didesnį skilimo greitį nei vamzdžiai praskiestame gale.
Oksiduojančių teršalų poveikis
Skilimo greitį pagreitina sieros rūgštyje esantys oksiduojantys teršalai. Azoto rūgštis, chromo rūgštis ir vandenilio peroksidas yra įprasti teršalai, kurie padidina rūgšties oksidacijos potencialą. Net keli procentai azoto rūgšties gali padidinti skilimo greitį du ar tris kartus.
Teršalai taip pat turi įtakos maksimaliai leistinai sienos temperatūrai. Švarioje sieros rūgštyje slenkstis yra maždaug 200 laipsnių. Sieros rūgštyje, kurioje yra 5% azoto rūgšties, slenkstis yra maždaug 170 laipsnių. Sieros rūgštyje, kurioje yra 10% azoto rūgšties, slenkstis yra maždaug 150 laipsnių.
Leidžiamos sienos temperatūros kiekybinis įvertinimas
Toliau pateiktoje lentelėje apibendrinta maksimali leistina sienelės temperatūra skirtingomis sieros rūgšties eksploatavimo sąlygomis, atsižvelgiant į būtiną 10 metų tarnavimo laiką.
| Rūgščių koncentracija | Oksiduojantys teršalai | Didžiausia leistina sienos temperatūra | Degradacijos greitis ties riba | Rekomenduojamas vamzdžio sienelės storis |
|---|---|---|---|---|
| 15% H₂SO₂ | Nėra | 220 laipsnių | 0,05 mm per metus | 0,8 mm |
| 30 % H₂SO₂ | Nėra | 210 laipsnių | 0,06 mm/metus | 0,8 mm |
| 50% H₂SO₂ | Nėra | 200 laipsnių | 0,07 mm/metus | 0,8 mm |
| 70% H₂SO₂ | Nėra | 190 laipsnių | 0,08 mm/metus | 0,8 mm |
| 98% H₂SO₂ | Nėra | 180 laipsnių | 0,10 mm/metus | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₂ | 5% HNO3 | 170 laipsnių | 0,10 mm/metus | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₂ | 10% HNO3 | 150 laipsnių | 0,12 mm/metus | 1,0 mm |
| 98% H₂SO₂ | 5% HNO3 | 150 laipsnių | 0,15 mm/metus | 1,2 mm |
Didžiausios leistinos sienos temperatūros vertės reiškia, kad reikalingas 10 metų tarnavimo laikas ir mažiausias leistinas sienelės storis – 0,3 mm. Skilimo greičiai pagrįsti lauko duomenimis, gautais iš sieros rūgšties ir laboratorinių tyrimų.
Mechaninė streso sąveika
Didžiausią leistiną sienelės temperatūrą veikia vamzdžio mechaninis įtempis. Šiluminio ir slėgio įtempių derinys sumažina leistiną temperatūrą, nes skilimo greitis didėja didėjant įtempimui.
Mechaninis įtempis turi du efektus. Pirma, įtempis padidina rūgšties difuzijos greitį į PTFE, atidarydamas amorfines polimero sritis. Antra, įtempimas sumažina vamzdžio mechaninį stiprumą, o tai sumažina leistiną sienelės praradimą prieš plyšimą.
Įtempių poveikis ypač svarbus vamzdžių{0}}su -vamzdžio lakštų jungtyse, kur įtempių koncentracija yra didžiausia. Didžiausia leistina sienelės temperatūra jungties vietoje paprastai yra 10–20 laipsnių žemesnė nei vamzdžio korpuse.
Dizaino savybės, mažinančios sienos temperatūrą
Kai kurios konstrukcijos ypatybės sumažina vamzdžio sienelės temperatūrą tam tikrai šilumos apkrovai.
Didesnis paviršiaus plotas.Didesnis paviršiaus plotas sumažina šilumos srautą, o tai sumažina sienos temperatūrą. 50 % padidinus paviršiaus plotą, šilumos srautas ir sienos temperatūra sumažėja maždaug 33 %.
Plonesnė vamzdžio sienelė.Plonesnė siena sumažina šiluminę varžą ir sienos temperatūrą tam pačiam šilumos srautui. 0,5 mm siena turi perpus mažesnę šiluminę varžą nei 1,0 mm siena.
Didesnio laidumo vamzdžio medžiaga.Užpildyto PTFE junginio, kurio šilumos laidumas yra 0,5 W/m·K, sienelės šiluminė varža yra perpus mažesnė nei gryno PTFE.
Didesnis proceso srauto greitis.Didesnis srauto greitis padidina proceso{0}}šoninės plėvelės koeficientą ir sumažina sienos temperatūrą.
Didesnis aptarnavimo{0}pusio srauto greitis.Didesnis garų ar karšto vandens greitis padidina aptarnavimo{0}}pusės plėvelės koeficientą ir sumažina sienos temperatūrą.
Srauto paskirstymo antraštė.Srauto paskirstymo antgalis užtikrina tolygų srautą per vamzdžių pluoštą, o tai apsaugo nuo vietinių karštų taškų.
Vamzdžių medžiagų palyginimas aukštoje{0}}temperatūros sieros rūgšties paslaugoms
Toliau pateiktoje lentelėje apibendrinama maksimali leistina sienelės temperatūra ir skirtingų PTFE vamzdžių medžiagų eksploatavimo laikas naudojant 98 % sieros rūgštį, kai šilumos srautas yra 1,5 W/cm².
| Vamzdžio medžiaga | Šilumos laidumas | Sienos temperatūra 1,5 W/cm² | Tarnavimo laikas 180 laipsnių kampu | Tarnavimo laikas 200 laipsnių kampu | Tarnavimo laikas 220 laipsnių kampu |
|---|---|---|---|---|---|
| Virgin PTFE | 0.25 W/m·K | 210 laipsnių | 10-15 metų | 5-8 metai | 2-3 metai |
| Aukšto{0}}kristališkumo PTFE | 0.26 W/m·K | 205 laipsnių | 12-18 metų | 6-10 metų | 3-4 metai |
| Grafito{0}}užpildytas PTFE | 0.50 W/m·K | 165 laipsnių | 15-20 metų | 10-15 metų | 5-8 metai |
| Anglies-užpildytas PTFE | 0.65 W/m·K | 150 laipsnių | 15-20 metų | 12-18 metų | 8-12 metų |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 laipsnių | 8-12 metų | 4-6 metai | 1-2 metai |
Eksploatacijos trukmės vertės yra įvertintos remiantis lauko duomenimis ir laboratoriniais tyrimais. Tikrasis eksploatavimo laikas skirsis priklausomai nuo rūgšties chemijos, mechaninio įtempimo ir veikimo.
Sieros rūgšties tarnybos specifikacijų parametrai
Įrangos inžinieriai, nurodantys PTFE šilumokaitį sieros rūgšties priežiūrai, su tiekėju turėtų patvirtinti šiuos parametrus.
Rūgščių koncentracija.Nurodykite didžiausią koncentraciją ir numatomą diapazoną.
Oksiduojantys teršalai.Nurodykite azoto rūgšties, chromo rūgšties, vandenilio peroksido ar kitų oksiduojančių medžiagų koncentraciją.
Darbinė temperatūra.Nurodykite maksimalią darbinę temperatūrą ir numatomą temperatūros profilį.
Šilumos apkrova ir paviršiaus plotas.Nurodykite šilumos apkrovą ir reikiamą paviršiaus plotą.
Šilumos srautas.Nurodykite didžiausią leistiną šilumos srautą pagal sienos temperatūros ribą.
Vamzdžio sienelės storis.Nurodykite vamzdžio sienelės storį pagal šilumos srautą ir leistiną sienelės temperatūrą.
Vamzdžio medžiaga.Nurodykite vamzdžio medžiagą pagal sienelės temperatūrą ir skilimo greitį.
Tarnavimo trukmės reikalavimas.Nurodykite numatomą tarnavimo laiką ir keitimo grafiką.
Temperatūros stebėjimas.Nurodykite temperatūros jutiklius ir sienos temperatūros stebėjimo metodą.
Sienų temperatūros suderinimas su eksploatavimo trukmės reikalavimais
Maksimali leistina PTFE šilumokaičio vamzdžių sienelės temperatūra sieros rūgšties eksploatacijoje priklauso nuo rūgšties koncentracijos, oksiduojančių teršalų ir reikalingo tarnavimo laiko. Žemiau nei 180–200 laipsnių slenkstis, skilimo greitis yra lėtas, o vamzdžio tarnavimo laiką lemia mechaniniai veiksniai. Virš slenksčio skilimo greitis didėja eksponentiškai, o vamzdžio tarnavimo laikas greitai mažėja didėjant temperatūrai.
Sienos temperatūra turėtų būti parenkama atsižvelgiant į eksploatavimo trukmę ir bendras nuosavybės išlaidas. Žemesnė sienos temperatūra reikalauja didesnio paviršiaus ploto arba didesnio laidumo vamzdžio medžiagos, o tai padidina kapitalo sąnaudas. Tačiau žemesnė sienelės temperatūra prailgina vamzdžio tarnavimo laiką ir sumažina priežiūros išlaidas.
Sieros rūgšties paslaugų objektams, vertinantiems PTFE šilumokaičio galimybes, sienų temperatūra turi būti nurodyta pirkimo dokumentuose ir patikrinta pradedant eksploatuoti. Gamintojo pateikta numatytoji konfigūracija gali būti optimizuota kompaktiškumui, o ne tarnavimo laikui, o gaunama sienelės temperatūra gali viršyti degradacijos slenkstį.
Įrangos inžinieriai ir pirkimo specialistai, vertinantys PTFE šilumokaičio specifikacijas sieros rūgščiai ar kitoms korozinėms paslaugoms, gali paprašyti projekto peržiūros, apimančios rūgšties koncentraciją, oksiduojančius teršalus, darbo temperatūrą, šilumos srautą, vamzdžio sienelių storį ir vamzdžio medžiagą, kad įsitikintų, jog įrenginys atitinka faktines įrenginio eksploatavimo sąlygas ir eksploatavimo trukmės reikalavimus.
