Đối với Lò sưởi ngâm titan được lắp đặt trong bể lưu huỳnh nóng chảy (135 độ, chứa hydro sunfua và polysulfua), tại sao bức tường dày hơn không có lợi vì ăn mòn đồng đều và tuổi thọ được xác định bởi sự hòa tan hoàn toàn sắt?

Sự đánh đổi cơ bản trong thiết kế bộ gia nhiệt bằng titan để sử dụng trong lưu huỳnh nóng chảy
Molten sulphur tanks are maintained at 135°C to keep sulphur in liquid form for transportation or processing. The sulfur is saturated with hydrogen sulfide (H₂S) and polysulfides (H₂S_x) in solution. Titanium immersion heaters are utilized because titanium has strong resistance to sulphur and sulphides at moderate temperatures. However, titanium corrodes in molten sulfur by a chemical process: Ti + 2S ->TiS₂ Sự ăn mòn đồng nhất, không bị rỗ hoặc nứt ở một khu vực. Tốc độ khoảng 0,05-0,15 mm/năm tùy thuộc vào hàm lượng H2S. Vì sự ăn mòn là đồng đều nên tổng lượng kim loại bị mất đi (thành mỏng) quyết định tuổi thọ của lò sưởi. Độ dày của tường nhiều hơn có nghĩa là tuổi thọ cao hơn tương ứng. Độ dày của tường gấp đôi có nghĩa là tuổi thọ sử dụng gấp đôi. Nhưng không có độ dày ngưỡng nào mà dưới mức đó sự ăn mòn sẽ tăng tốc hoặc trên mức nào thì sự ăn mòn sẽ dừng lại. (Với rỗ, tường dày hơn sẽ mang lại lợi nhuận giảm dần.) Nghiên cứu này cho thấy lý do của việc chia tỷ lệ tuyến tính đơn giản trong trường hợp ăn mòn đồng đều và độ dày tường tối ưu (1,5-2,0 mm) trong trường hợp sử dụng lưu huỳnh nóng chảy.

Cơ chế ăn mòn đồng đều: Tác động đến tính toàn vẹn cơ học
Bề mặt titan được phát hiện phản ứng trực tiếp với lưu huỳnh và polysulfua trong lưu huỳnh nóng chảy ở nhiệt độ 135 độ, dẫn đến sự hình thành titan disulfua (TiS2). Lớp phủ TiS 2 có khả năng bảo vệ tương đối nhưng bị hòa tan chậm hoặc bong ra do lưu huỳnh nóng chảy chảy. Tốc độ ăn mòn tuân theo động học tuyến tính: d=kt, trong đó k là 0,05–0,15 mm/năm. Không có ngưỡng phá vỡ màng thụ động, không có nhiệt độ tới hạn cho hiện tượng rỗ và không có cơ chế gây nứt ăn mòn do ứng suất. Sự ăn mòn nhất quán trên toàn bộ bề mặt ngâm.

Không có sự tấn công cục bộ, do đó thời gian để thủng chỉ đơn giản là: t_perf=(độ dày thành bắt đầu) / (tốc độ ăn mòn). Nếu tốc độ ăn mòn là 0,10 mm/năm thì tường 1,2 mm sẽ được đục lỗ trong 12 năm. 15 năm đối với tường 1,5 mm. 20 năm đối với tường dày 2,0 mm. Mối quan hệ là một đường thẳng hoàn hảo. Vì vậy, một bức tường dày hơn sẽ có lợi hơn khi so sánh trực tiếp với vật liệu bổ sung. Tuy nhiên, giá thành của titan cũng tăng tuyến tính theo độ dày. Không có lợi ích phi tuyến tính nào khi mặc quá dày.

Tác động đến hiệu suất nhiệt: Hình phạt truyền nhiệt
Một bức tường dày hơn sẽ phát sinh một chi phí nhiệt nhỏ nhưng thực sự. Đối với thông lượng nhiệt điển hình là 2,0 W/cm$^2$, điện trở đối lưu chiếm ưu thế trong lưu huỳnh nóng chảy (h $\\khoảng$ 500 W/m$^2$K do độ nhớt cao). Đối với tường 1,2 mm R_cond=7.1e-5; cho tường 2,0 mm R_cond=1.18e-4. Tổng điện trở tăng thêm 8%, do đó nhiệt độ bề mặt tăng thêm 2–3 độ. Điều này làm tăng tốc độ ăn mòn lên một chút (khoảng 10% khi tăng 3'C), phần nào phủ nhận lợi thế của bức tường dày hơn. Lợi ích tổng thể của việc tăng từ 1,2 mm lên 2,0 mm là kéo dài tuổi thọ từ 12 năm lên khoảng 18 năm (không phải 20 năm do nhiệt độ tăng nhanh). Quy luật lợi nhuận giảm dần vẫn đúng, mặc dù còn yếu.

Sự cân bằng-giữa độ dày của tường và tuổi thọ sử dụng
Độ dày thành (mm) Tốc độ ăn mòn ở 135 độ (mm/năm) Hệ số gia tốc nhiệt độ Tốc độ ăn mòn hiệu quả (mm/năm)Thời gian thủng (năm) Chi phí vật liệu tương đối 1,0 mm 0.10 1.00× 0.10 10 năm 1,0× 1,2 mm 0.10 1.02× 0.102 11.8 năm 1,2× 1,5 mm 0.10 1.05× 0.105 14.3 năm 1,5× 1,8 mm 0.10 1.08× 0.108 16.7 năm 1,8× 2,0 mm 0.10 1.10× 0.110 18.2 năm 2,0× 2,5 mm 0.10 1.15× 0.115 21.7 năm 2,5×
Tường dày 2,0 mm có tuổi thọ 18 năm, dài hơn 80% so với tường dày 1,0 mm nhưng chi phí vật liệu cao hơn 100%. Bức tường 1,5 mm mang lại tuổi thọ 14 năm với chi phí cao hơn 50%, thường là điểm kinh tế tốt nhất.

Kỹ thuật đằng sau bức tường: Kiểm soát nhiệt độ và chất lượng lưu huỳnh
Nồng độ H₂S trong lưu huỳnh nóng chảy là một thông số rất nhạy cảm đối với tốc độ ăn mòn. Trong lưu huỳnh tinh khiết (H2S thấp), tốc độ thấp tới 0,03 mm/năm. Lưu huỳnh chua có hàm lượng H2S và polysulfua cao có thể lên tới 0,25 mm/năm. Nếu chất lượng lưu huỳnh kém thì cần có thành dày hơn, nhưng cách tiếp cận tốt hơn là phun nitơ vào thùng lưu huỳnh để loại bỏ H2S, giảm tốc độ ăn mòn từ 70–80%. Rải nitơ 30+ Năm Quản lý nhiệt độ tường 1,2mm cũng rất quan trọng: giảm nhiệt độ của bể từ 135 độ xuống 125 độ giúp giảm tốc độ ăn mòn khoảng 40%, giúp cho tường mỏng hơn.

Kết luận: Lợi ích tuyến tính-Chọn bức tường làm chức năng của tuổi thọ và chi phí
Thành dày hơn rất hữu ích cho lò sưởi ngâm titan trong bể lưu huỳnh nóng chảy ở nhiệt độ 135 độ với H2S và polysulfua vì độ ăn mòn đồng đều và tuổi thọ phụ thuộc vào tổng lượng kim loại hòa tan. Việc tăng gấp đôi độ dày của thành sẽ tăng gần gấp đôi tuổi thọ sử dụng (với một chút ảnh hưởng do tăng nhiệt độ). Độ dày thành khuyến nghị: 1,2–1,5 mm cho tuổi thọ 10 năm; 1,5–1,8 mm cho tuổi thọ 15 năm; 2,0–2,5 mm cho tuổi thọ 20 năm. Không có hiệu ứng ngưỡng (tường dày hơn không có tác dụng). Sự lựa chọn kinh tế tốt nhất thường là 1,5 mm, mang lại tuổi thọ 14 năm ở mức 50% trên tường 1,0 mm. Cung cấp nồng độ H₂S ước tính và nhiệt độ vận hành cho nhà sản xuất để họ có thể tính toán tốc độ ăn mòn chính xác. Trong trường hợp độ dày thành dịch vụ lưu huỳnh nóng chảy là một biến thiết kế tuyến tính trực tiếp. Dày hơn thì tốt hơn nhưng đắt hơn-hãy chọn cho nhu cầu sử dụng.