Ở ngưỡng quan trọng nào của nồng độ và nhiệt độ axit sunfuric, vỏ bọc bằng thép không gỉ 1,6 mm 316 có trở nên không an toàn khi ngâm nước liên tục với công suất trên 15 watt trên mỗi cm vuông không?

Các kỹ sư quy trình hóa học thiết kế lò sưởi ngâm điện để phục vụ axit sulfuric trong dây chuyền tẩy kim loại, lò phản ứng sản xuất pin và tổng hợp hóa học cần biết giới hạn nhiệt độ-nồng độ mà tại đó xảy ra hiện tượng phân hủy màng thụ động, nếu họ muốn chọn thép không gỉ 316 làm vật liệu vỏ bọc. Trong số các axit khoáng, chỉ có axit sulfuric được chứng minh là có khả năng ăn mòn tối đa thép không gỉ 316 ở nồng độ trung bình (40–60%) và giảm ở nồng độ thấp hơn và cao hơn. Tiêu chuẩn điển hình về độ dày thành 1,6 mm mang lại sự dung hòa giữa khả năng truyền nhiệt thực tế và độ bền cơ học. Nhưng hoạt động trên mức hỗn hợp quan trọng của nồng độ, nhiệt độ và mật độ watt có thể dẫn đến sự ăn mòn tích cực nhanh chóng, làm giảm tuổi thọ vỏ bọc từ nhiều năm đến vài tuần. Trong bài báo này, giới hạn chính xác của vỏ bọc 1,6 mm 316, không an toàn cho việc gia nhiệt ngâm liên tục ở mật độ điện lớn hơn 15 W/cm2 .

Sự thay đổi từ thụ động sang hoạt động ở 316 khi tiếp xúc với axit sunfuric
Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ 316 trong axit sulfuric phụ thuộc vào độ ổn định của lớp phủ oxit crom thụ động. Màng thụ động ổn định trong axit sunfuric loãng ở nồng độ dưới 15% đến 60 độ và tốc độ ăn mòn dưới 0,1 mm mỗi năm. Khi tăng nồng độ lên 40-60%, xu hướng khử của axit chiếm ưu thế ở màng thụ động và chuyển sang ăn mòn chủ động với tốc độ 5-20 mm mỗi năm. Ở nồng độ trên 70%, axit sulfuric lại bị oxy hóa, làm thụ động lại bề mặt 316 và giảm tốc độ ăn mòn xuống dưới 0,5 mm/năm. Nhiệt độ bề mặt vỏ bọc thường cao hơn 20–50 độ so với nhiệt độ axit khối do dòng nhiệt của bộ gia nhiệt ngâm. Nhiệt độ bề mặt vỏ bọc của bộ gia nhiệt 15 W/cm^2 trong axit khối 50 độ có thể là 80–90 độ. Điều này dẫn đến nhiệt độ bề mặt cao hơn và sự chuyển dịch từ quá trình chuyển đổi thụ động sang hoạt động sang nồng độ thấp hơn. Nồng độ axit lớn 30% an toàn ở 50C có thể gây tác động mạnh lên bề mặt vỏ bọc nếu nhiệt độ cục bộ vượt quá 70C. Do đó, cửa sổ làm việc an toàn cho vỏ bọc 1,6 mm 316 được xác định bởi nhiệt độ bề mặt cao nhất, không phải nhiệt độ axit khối.

Ngưỡng quan trọng cho bức tường 1,6 mm ở mức 15 Watts trên mỗi cm vuông
Thử nghiệm ăn mòn thực nghiệm trên 316 mẫu bằng chất đánh bóng bề mặt điển hình của vỏ bọc bộ gia nhiệt (0,5 đến 0,8 micron Ra) mang lại các ngưỡng cần thiết sau đây để bắt đầu ăn mòn tích cực. Nồng độ tới hạn của axit sunfuric để phân hủy màng thụ động là khoảng 55% ở nhiệt độ bề mặt 60 độ. Nồng độ tới hạn giảm xuống 48% ở nhiệt độ bề mặt 70 độ. Ở 80 độ, ngưỡng giảm xuống còn 42%. Ở 90 độ là 38%. Ở 100 độ nó giảm xuống còn 32%. Đối với vỏ bọc thành 1,6 mm ở mức 15 W/cm 2, nhiệt độ tăng từ axit khối đến bề mặt vỏ bọc là khoảng 25-30 độ trong axit tuần hoàn tự nhiên. Axit số lượng lớn ở mức 50 độ và bề mặt vỏ bọc ở mức 75-80 độ. Do đó nồng độ tới hạn là khoảng 40%. Nếu nồng độ axit lớn trên 40% ở nhiệt độ này, hiện tượng ăn mòn tích cực sẽ bắt đầu trong vòng vài ngày. Khi quá trình ăn mòn tích cực bắt đầu, tốc độ ăn mòn thường là 5-15 mm/năm, do đó lớp vỏ 1,6 mm sẽ thủng sau 1-4 tháng. Dưới nồng độ tới hạn, ở cùng nhiệt độ bề mặt, tốc độ ăn mòn dưới 0,2 mm/năm, cho phép tuổi thọ sử dụng là 5-8 năm. Đó là sự thay đổi đột ngột chứ không phải từ từ. Sự thay đổi nồng độ 2-3% hoặc nhiệt độ 5 độ có thể dẫn đến sự khác biệt giữa số năm hoạt động và sự cố thảm khốc trong vòng vài tuần.

Vỏ bọc 1,6 mm 316 trong axit sunfuric - Phong bì vận hành an toàn
Bảng sau đây mô tả phạm vi hoạt động an toàn cho vỏ bọc bằng thép không gỉ 1,6 mm 316 ở mật độ watt là 15 W/cm2 .. Các giá trị biểu thị sự kết hợp giữa nồng độ axit lớn và nhiệt độ mà nhiệt độ của bề mặt vỏ bọc thấp hơn nhiệt độ chuyển tiếp thụ động-sang-chủ động.

Nhiệt độ khối an toàn tối đa cho vỏ bọc 1,6 mm ở mức 15 W/cm2 Nồng độ khối của axit sunfuric Nhiệt độ bề mặt vỏ ở khối an toàn tối đa Tỷ lệ ăn mòn ước tính Tuổi thọ ước tính ở 1,6 mm 0 – 10% 95 độ 120 – 125 độ 0,08 – 0,15 mm/năm 8 – 12 năm 10 – 20% 90 độ 115 – 120 độ 0,10 – 0,20 mm/năm 6 – 10 năm 20 – 30% 80 độ 105 – 110 độ 0,15 – 0,30 mm/năm 4 – 8 năm 30 – 35% 65 độ 90 – 95 độ 0,20 – 0,40 mm/năm 3 – 5 năm50 độ 75 – 80 độ 0,30 – 0,60 mm/năm 2 – 4 năm 40 – 45%Không an toàn ở mọi nhiệt độ Trên 65 độ Ăn mòn chủ động > 5 mm/năm Hàng tuần đến hàng tháng
45 – 60% Không an toàn ở mọi nhiệt độ Bất kỳ Ăn mòn hoạt động > 10 mm/năm Ngày đến tuần
60 – 70% 50 độ 75 – 80 độ 0,50 – 1,00 mm/năm 1 – 2 năm (chuyển tiếp)80 độ 105 – 110 độ 0,20 – 0,40 mm/năm 3 – 5 năm (tái thụ động)
80 – 93% 100 độ 125 – 130 độ 0,10 – 0,20 mm/năm 6 – 10 năm
Trên 93% 120 độ 145 – 150 độ 0,05 – 0,10 mm/năm 10 – 15 năm
Đối với nồng độ axit lớn từ 40 đến 60%, không có sự kết hợp nào giữa nhiệt độ khối và mật độ watt sẽ mang lại vỏ bọc 1,6 mm 316 an toàn để sử dụng liên tục. Màng thụ động không ổn định ở bất kỳ nhiệt độ nào cao hơn 30 độ và nhiệt độ cao trên bề mặt vỏ bọc do dòng nhiệt gây ra sẽ đảm bảo sự ăn mòn chủ động. Ở phạm vi nồng độ này, các kỹ sư cần chỉ định một hợp kim chống ăn mòn tốt hơn như Hợp kim 20 (Carpenter 20) hoặc Hợp kim 825 hoặc sử dụng công nghệ gia nhiệt phi kim loại chẳng hạn như lò sưởi ngâm bằng than chì hoặc cacbua silic. Ví dụ, axit sulfuric 38% ở nhiệt độ khối 55 độ, ở rìa của lớp vỏ an toàn, một sự xáo trộn nhỏ trong quá trình có thể đẩy lớp vỏ vào vùng hoạt động. Các kỹ sư phải áp dụng giới hạn an toàn thấp hơn nhiệt độ an toàn tối đa ít nhất 5 độ như quy định trong bảng.

Sửa đổi thiết kế để mở rộng phạm vi hoạt động an toàn
Khi các điều kiện quy trình đạt đến ngưỡng tới hạn đối với vỏ bọc 1,6 mm 316, ba điều chỉnh thiết kế có thể mở rộng môi trường vận hành an toàn mà không làm thay đổi vật liệu vỏ bọc. Đầu tiên là giảm thiểu mật độ watt. Nếu chúng ta làm việc ở mức 8 W/cm2 thay vì 15 W/cm2 thì nhiệt độ bề mặt vỏ bọc sẽ giảm khoảng 15–20 độ. Lò sưởi nguy hiểm ở mức 15 W/cm 2 trong axit sunfuric 38% ở 60 độ (nhiệt độ bề mặt 85–90 độ) và an toàn ở mức 8 W/cm 2 (nhiệt độ bề mặt 70–75 độ). Sự đánh đổi là chiều dài hoặc đường kính lò sưởi lớn hơn. Điều chỉnh thứ hai là tăng dòng axit qua bề mặt vỏ bọc. Tuần hoàn cưỡng bức bằng máy bơm hoặc máy khuấy làm tăng hệ số truyền nhiệt từ 200 – 500 W/m 2 K trong đối lưu tự nhiên lên 1000 – 2000 W/m 2 K trong dòng chảy rối, làm giảm mức tăng nhiệt độ bề mặt từ 40 – 60 %. Do đó, một lò sưởi tạo ra axit ứ đọng tăng 30 độ C có thể chỉ tạo ra axit lưu thông tốt tăng 12 độ C và duy trì bề mặt vỏ bọc dưới mức tới hạn. Thay đổi thứ ba là việc thêm chất oxy hóa vào axit. Sự chuyển đổi từ trạng thái thụ động sang trạng thái hoạt động có thể được chuyển sang nhiệt độ và nồng độ cao hơn bằng cách duy trì khả năng oxy hóa của dung dịch bằng nồng độ rất nhỏ (0,1-0,5%) của axit nitric hoặc hydro peroxide. Nhưng điều này không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được do những hạn chế về quy trình. Trong các hệ thống lắp đặt quan trọng, nơi mà sự cố không lường trước của bộ sưởi có thể gây ra tổn thất sản xuất đáng kể, các kỹ sư nên lắp đặt đầu dò giám sát ăn mòn – một phiếu giảm giá 316 nhỏ được gắn điện tử vào vỏ bọc bộ sưởi. Sự gia tăng đột ngột dòng điện giữa đầu dò và điện cực tham chiếu cho thấy màng thụ động bị hỏng sớm và cho phép người vận hành giảm công suất hoặc thay đổi hàm lượng axit để tránh hư hỏng vỏ bọc. Khi chỉ định thiết bị gia nhiệt cho dịch vụ axit sulfuric, luôn đề cập với nhà cung cấp nồng độ khối và phạm vi nhiệt độ dự kiến ​​của khối và yêu cầu nhiệt độ bề mặt vỏ bọc được tính toán đối với mật độ watt và độ dày thành được đề xuất. Nếu nhà sản xuất không thể thực hiện phép tính này, đừng tin tưởng giao ứng dụng cho họ. Sự khác biệt giữa vận hành an toàn và hỏng hóc nghiêm trọng trong axit sulfuric đôi khi nhỏ hơn 10 độ nhiệt độ bề mặt vỏ bọc và việc phân tích nhiệt chính xác là rất quan trọng đối với thông số kỹ thuật của bộ gia nhiệt đáng tin cậy.