We wrzącym zbiorniku kwasu azotowego (np. 20–30% HNO₃ w temperaturze 105–110 stopni) zamontowany poziomo grzejnik PFA powoduje ciągłe powstawanie pęknięć obwodowych na górnej powierzchni w ciągu 3–6 miesięcy, podczas gdy grzejnik zamontowany pionowo w tym samym trybie może wytrzymać 2–3 lata. Awaria jest spowodowana połączeniem osłony parowej, miejscowego przegrzania i przyspieszonej degradacji oksydacyjnej. Pęcherzyki powstające podczas wrzenia unoszą się i gromadzą wzdłuż górnej części poziomej rurki, tworząc ciągłą warstwę pary, która izoluje PFA. Temperatura górnej powierzchni wzrasta z normalnych 115–120 stopni do 180–250 stopni, podczas gdy dolna pozostaje chłodzona cieczą. Opary kwasu azotowego uwięzione pod kocem koncentrują się, agresywnie utleniając PFA. Rezultatem jest szybka kruchość, pękanie i ostateczna perforacja. Orientacja pozioma jest zasadniczo nieodpowiednia dla wrzących kwasów; zdecydowanie preferowany jest montaż pionowy.
Mechanizm osłony parowej w grzejnikach poziomych
Podczas wrzenia zarodkowego na całej powierzchni grzejnika tworzą się pęcherzyki pary. Na grzejniku pionowym pęcherzyki oddzielają się i szybko unoszą, omiatając powierzchnię i utrzymując kontakt z cieczą. Na grzejniku poziomym pęcherzyki powstające w dolnej połowie unoszą się i uderzają w górną połowę, gdzie łączą się, tworząc ciągłą lub półciągłą-warstwę pary. Współczynnik przenikania ciepła pod płaszczem parowym spada z 5 000–10 000 W/m²·K (wrzenie cieczy) do 100–300 W/m²·K (film parowy). Przy stałym strumieniu ciepła wynoszącym 3 W/cm² (30 000 W/m²) temperatura powierzchni pod płaszczem parowym wzrasta do T_surface=T_fluid + q/h=110 + 30 000/200=260 stopnia. Przekracza to bezpieczną temperaturę ciągłego stosowania PFA (200 stopni) i zbliża się do jego temperatury topnienia (305 stopni). PFA mięknie, szybko utlenia się w oparach kwasu azotowego i pęka pod wpływem naprężenia termicznego.
Górna powierzchnia również podlega cyklicznym naprężeniom wynikającym z sporadycznego zwilżania. Gdy warstwa pary tworzy się i zapada, temperatura zmienia się co kilka sekund w zakresie od 110 do 260 stopni. Ten szok termiczny powoduje powstawanie pęknięć obwodowych w ciągu tysięcy cykli (od dni do tygodni).
Porównanie wydajności: poziomo i pionowo podczas wrzenia 25% HNO₃ w temperaturze 108 stopni
| Orientacja | Temperatura górnej powierzchni (stopnie) | Temperatura dolnej powierzchni (stopnie) | Początek pękania (miesiące) | Dominujący tryb awarii | Życie względne |
|---|---|---|---|---|---|
| Poziomo (25 mm średnicy zewnętrznej) | 210–260 | 115–125 | 3–6 | Na górze obwodowe pęknięcia | 1.0× |
| Pozioma z wymuszonym obiegiem (0,5 m/s) | 160–190 | 130–140 | 8–12 | Ogólna degradacja | 2.0× |
| Pionowo (ten sam grzejnik) | 115–125 | 115–125 | 24–36 | Jednolite starzenie się | 6–8× |
| Poziomo z osłoną paroszczelną (perforowana metalowa pokrywa na górze) | 130–150 | 120–130 | 18–24 | Korozja na krawędziach tarczy | 4–5× |
| Poziomo, obniżone do 1,5 W/cm² | 150–180 | 110–120 | 12–18 | Nadal pęknięcia | 3× |
Dlaczego kwas azotowy przyspiesza uszkodzenia
Kwas azotowy jest silnym utleniaczem. W temperaturze 200 stopni pary HNO₃ szybko rozkładają PFA poprzez utlenianie końców łańcuchów i tworzenie grup fluorku karbonylu. Powierzchnia staje się krucha (twardość wzrasta z 66 do 78 Shore D) i powstają mikropęknięcia. Natomiast czysta woda lub-nieutleniające kwasy powodują wolniejszą degradację. Połączenie płaszcza parowego i kwasu azotowego tworzy-samonapędzający się cykl awarii: płaszcz parowy podnosi temperaturę, co przyspiesza utlenianie, co zwiększa chropowatość powierzchni, co sprzyja przyleganiu pęcherzyków, co wzmacnia płaszcz parowy.
Przykład pola
Zakład chemiczny zainstalował poziomo grzejnik PFA o mocy 6 kW w zbiorniku o pojemności 2000 l wrzącego 25% HNO₃ (108 stopni). Po 4 miesiącach nagrzewnica wyłączyła się z powodu zwarcia doziemnego. Kontrola ujawniła obwodowe pęknięcie o długości 5 cm na górnej powierzchni, charakteryzujące się silnym zażółceniem i kruchością. Ta sama instalacja posiadała grzejnik pionowy w identycznym zbiorniku, który pracował bezawaryjnie przez 30 miesięcy. W zakładzie wymieniono grzejnik poziomy na grzejnik pionowy i nie wystąpiły żadne dalsze awarie. Zabraniają obecnie montażu poziomego w przypadku jakichkolwiek usług związanych z wrzącym kwasem.
Ograniczenia w przypadku wymaganych instalacji poziomych
Jeśli nie można uniknąć orientacji poziomej (płytkie zbiorniki, ograniczenia przestrzenne), trzy środki zmniejszają ryzyko pękania górnej powierzchni:
Zamontuj osłonę paroszczelną: Perforowana płyta ze stali nierdzewnej (otwory 5 mm, 40% powierzchni otwartej) umieszczona 10–20 mm nad grzejnikiem zakłóca koalescencję pęcherzyków i zapobiega ciągłemu tworzeniu się koca parowego. Osłona pracuje w podobnej temperaturze, ale jest metaliczna i nie jest podatna na utlenianie.
Zmniejsz gęstość watów: Pracuj przy natężeniu mniejszym lub równym 1,5 W/cm², aby utrzymać temperaturę górnej powierzchni poniżej 150 stopni, nawet przy częściowym pokryciu parą.
Dodaj wymuszony obieg: A recirculation pump or agitator with velocity >Prędkość 0,3 m/s usuwa pęcherzyki z górnej powierzchni, zanim się połączą.
Co tydzień obracaj grzejnik o 180 stopni: Rozkłada naprężenia termiczne, ale tylko opóźnia awarię.
Wniosek: Poziomy montaż we wrzącym kwasie azotowym powoduje szybkie pękanie górnej powierzchni
W grzejniku PFA zainstalowanym poziomo w zbiorniku z wrzącym kwasem azotowym w ciągu 3–6 miesięcy na górnej powierzchni powstają obwodowe pęknięcia z powodu osłony parowej. Pęcherzyki gromadzą się na górze, tworząc izolacyjną warstwę pary, która podnosi temperaturę PFA powyżej 200 stopni, przyspieszając degradację oksydacyjną i pękanie w wyniku szoku termicznego. Pionowa orientacja eliminuje warstwę pary, wydłużając żywotność grzejnika do 2–3 lat. W przypadku wrzących kwasów należy unikać montażu poziomego. Jeżeli jest to nieuniknione, dodaj osłony paroszczelne, zmniejsz gęstość mocy lub zastosuj wymuszony obieg. Górna powierzchnia poziomego grzejnika we wrzącym kwasie to awaria, która czeka, aby się wydarzyć. Montuj go pionowo lub często wymieniaj.
