Đối với vỏ bọc titan làm nóng hỗn hợp bột màu Titanium Dioxide trong axit sunfuric loãng (pH 2,5, 80 độ), Vận tốc dòng chảy tới hạn để ngăn ngừa xói mòn là bao nhiêu-Ăn mòn ở các khúc cua?

Sự cân bằng cơ bản trong thiết kế lò sưởi titan đối với bùn có tính axit mài mòn
Sắc tố TiO2 được tạo ra bằng cách tiêu hóa quặng ilmenit trong axit sulfuric đậm đặc, sau đó pha loãng, thủy phân và nung dung dịch. Các giai đoạn trung gian bao gồm đun nóng hỗn hợp bột màu TiO2 trong axit sulfuric loãng (pH 2,5, 80 độ). Bùn chứa 20-40% khối lượng các hạt rắn TiO2 có đường kính trung bình là 0,2-0,5 micron và có phần mài mòn. Tác động kết hợp của chất điện phân có tính axit và sự va chạm của hạt tạo ra một môi trường ăn mòn{15}}ăn mòn với tỷ lệ hao hụt vật liệu cao hơn tổng của xói mòn thuần túy và ăn mòn thuần túy. Các khu vực uốn cong của ống gia nhiệt titan hình chữ U hoặc ngoằn ngoèo là bộ phận quan trọng nhất của ống gia nhiệt, nơi đường dẫn dòng chảy thay đổi và các hạt buộc phải tác động lên thành ngoài (extrados) với vận tốc và góc tăng lên. Độ dày của thành cho phép ăn mòn thụ động nhưng biến thiết kế quan trọng để tránh hư hỏng sớm là tốc độ dòng chảy của bùn qua bộ gia nhiệt. Vận tốc ngưỡng bị vượt quá và sự thay đổi xảy ra từ mài mòn nhẹ, đồng đều đến ăn mòn-xói mòn cục bộ nghiêm trọng, có thể xuyên thủng bức tường titan 2,0 mm trong vòng chưa đầy sáu tháng. Dưới vận tốc ngưỡng này, lớp phủ titan dioxide thụ động ổn định và độ dày thành 1,0–1,2 mm có tuổi thọ sử dụng vài năm.

Tác động đến tính toàn vẹn cơ học: Tác động tổng hợp của xói mòn và ăn mòn tại các khúc cua
Tốc độ ăn mòn thụ động của titan loại 2 trong axit sulfuric loãng ở pH 2,5 trong trường hợp tĩnh hoặc dòng chảy thấp là 0,02-0,05 mm/năm. Các hạt bùn TiO 2 giống hệt về mặt hóa học với màng thụ động; do đó, có hiệu ứng điện không đáng kể. Tuy nhiên, thành phần ăn mòn sẽ phá hủy lớp oxit bảo vệ nhanh hơn khả năng thụ động trở lại. Về phía phần uốn cong lớn hơn, góc va chạm của hạt có xu hướng nằm trong khoảng 30{10}}60 độ so với bề mặt, vùng giúp tối đa hóa sự hao hụt vật liệu đối với các vật liệu dẻo dễ gãy{24}}chẳng hạn như titan. Tốc độ xói mòn-ăn mòn là một định luật lũy thừa thực nghiệm, w˙=k⋅vnw˙=k⋅vn, với vv vận tốc hạt cục bộ tại chỗ uốn cong và nn nói chung là 2,5–3,0 đối với titan trong bùn có tính axit. Sự phụ thuộc đáng kể vào vận tốc cho thấy tốc độ hao mòn tăng gấp 6-8 lần để tăng gấp đôi tốc độ dòng chảy. Tốc độ xói mòn là không đáng kể đối với đoạn ống thẳng có dòng chảy song song với bề mặt do các hạt trượt thay vì va chạm. Sự khác biệt chính là do gia tốc dòng chảy xung quanh chỗ uốn cong, vận tốc cục bộ tại chỗ uốn cong có thể cao hơn 1,5–2,5 lần so với vận tốc bùn khối. Do đó, tốc độ dòng chảy lớn trong đường ống hoặc bể chứa phải ở dưới ngưỡng tương ứng với vận tốc uốn cong khoảng 3–4 m/giây trong đó tốc độ ăn mòn-xói mòn là không thể chấp nhận được.

Hiệu ứng hiệu suất nhiệt: Nhiệt độ-Tương tác vận tốc
Độ dốc nhiệt qua lớp vỏ titan ảnh hưởng đến cơ chế ăn mòn-ăn mòn bằng cách ảnh hưởng đến độ ổn định của màng thụ động. Độ dày thành thấp hơn có nghĩa là nhiệt độ bề mặt thấp hơn đối với mật độ năng lượng nhất định và do đó độ bền cơ học của màng thụ động được cải thiện. Ở nhiệt độ khối 80 độ, bức tường 1,0 mm hoạt động ở mức 2,5 W/cm2 có bề mặt bên ngoài khoảng 92 độ; một bức tường 1,5 mm đạt khoảng 98 độ. Nhiệt độ cao hơn trên 90 độ dẫn đến màng thụ động trên titan giòn hơn và dễ bị vỡ khi va chạm với các hạt. Các thử nghiệm ăn mòn-ăn mòn trong phòng thí nghiệm sử dụng bùn TiO2 (40% khối lượng, pH 2,5, 80 độ ) chứng minh rằng ngưỡng vận tốc tới hạn đối với bức tường 1,0 mm là 2,8 m/s (số lượng lớn) nhưng đối với bức tường 1,5 mm, ngưỡng này giảm xuống còn 2,2 m/s do sự nứt vỡ của oxit nóng hơn, giòn hơn. Do đó, thành dày hơn không chỉ khiến vật liệu bị mài mòn nhiều hơn mà còn làm giảm cửa sổ tốc độ vận hành an toàn, điều này có thể dẫn đến giảm năng suất sản xuất.

Tổng hợp sự cân bằng-: Vận tốc tới hạn và Ma trận độ dày của tường
Ma trận sau đây cho thấy tốc độ dòng bùn khối lượng tới hạn đối với lớp vỏ titan nung nóng bùn TiO2 trong axit sulfuric loãng (pH 2,5, 80 độ, 30% trọng lượng chất rắn, kích thước hạt trung bình 0,3 µm), được định nghĩa là tốc độ tại đó tốc độ ăn mòn-bằng 0,3 mm mỗi năm (tương đương với tuổi thọ 3 năm đối với bức tường 1,0 mm có hệ số an toàn).

Bán kính uốn ống (tỷ lệ R/D) Độ dày thành titan Vận tốc khối tới hạn (m/s) đối với xói mòn-Ăn mòn giới hạn ở<0.3 mm/year Expected Life at Critical Velocity Core Engineering Rationale
R=3× OD (uốn cong chặt) 1,0 mm 1,8 m/s 2,5 – 3 năm Uốn cong tăng tốc độ cục bộ lên 3,5-4,0 m/s ở mức tăng thêm. Tường mỏng chạy mát hơn, tăng khả năng chịu vận tốc một chút. Không được đề xuất để sử dụng liên tục.
OD=3 x R (uốn cong) 1,5 mm 1,4 m/s 2 – 2,5 năm Tường dày hơn thì nóng hơn làm giảm khả năng đàn hồi thụ động của màng. Vận tốc cục bộ vẫn cao Tránh các khúc cua gấp, bất kể độ dày của tường.
R=5× OD (uốn cong rộng rãi) 1,0 mm 2,8 m/s 4 – 5 năm Vận tốc Extrados ≈ 1,3× khối lượng lớn; khúc cua rộng rãi giảm thiểu gia tốc cục bộ. Tường mỏng hơn giữ cho bề mặt mát hơn. Combo tốt nhất cho thiết kế mới.
R=5× OD (uốn cong rộng) 1,2 mm – 1,4 mm 2,5 m/giây 5 – 6 năm Tường dày hơn nhẹ, cho phép chịu xói mòn mà không tăng nhiệt độ quá nhiều. Rất thích hợp cho các ứng dụng nhạy cảm với vận tốc dao động không thường xuyên.
R=8× OD (uốn cong cực lớn) hoặc ống thẳng có cánh quay 1,0 mm – 1,2 mm > 3,5 m/s > 8 năm Loại bỏ gia tốc uốn cong. Xói mòn-ăn mòn có tầm quan trọng thứ yếu. Độ dày của tường chỉ cần đáp ứng các tiêu chí về áp suất và ăn mòn.
Kỹ thuật quanh khúc cua: Bộ làm thẳng dòng chảy và định hướng bộ gia nhiệt
Trong trường hợp cấu trúc bể chứa không thể tránh khỏi bán kính uốn cong chặt (R < 4 x OD), hai kỹ thuật thay thế có thể giảm thiểu sự ăn mòn-xói mòn mà không làm giảm tốc độ sản xuất. Hệ số gia tốc cục bộ giảm từ 2,0 xuống 1,2 bằng cách áp dụng bộ làm thẳng dòng chảy hoặc quay các cánh ngược dòng của bộ gia nhiệt uốn cong để định hướng lại bùn đi theo đường viền ống. Mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán cho thấy vận tốc ngoại biên của uốn cong 3× OD với cánh gạt giảm từ 4,0 m/s xuống 2,2 m/s ở vận tốc khối 2,0 m/s, thấp hơn ngưỡng tới hạn. Thứ hai, bộ gia nhiệt phải được định hướng theo chiều dọc với bùn chảy lên trên để các hạt sẽ di chuyển qua chỗ uốn cong mà không lắng xuống hoặc va chạm ở các góc cao. Nên tránh hướng theo chiều ngang với những chỗ uốn cong trong mặt phẳng ngang vì trọng lực đẩy các hạt về phía tần số va chạm ngày càng tăng. Cuối cùng, thành dày hơn một chút (1,4–1,6 mm) với bán kính uốn cong đáng kể (R=6× OD) mang lại thiết kế thận trọng cho các điều kiện dòng chảy không chắc chắn hoặc có thể thay đổi, trong khi hiệu suất nhiệt bị giảm xuống.

Kết luận: Ảnh hưởng của việc điều khiển vận tốc và hình học uốn đến độ dày thành
Tốc độ dòng chảy cần thiết để ngăn ngừa xói mòn-ăn mòn tại các điểm uốn trong vỏ titan làm nóng bùn TiO 2 trong axit sulfuric loãng ở pH 2,5 và 80 độ là vận tốc khối khoảng 2,5–3,0 m/giây đối với lò sưởi được chế tạo tốt có R=5× OD và độ dày thành 1,0–1,2 mm. Nếu nhanh hơn mức này thì sự mất mát nguyên liệu sẽ lớn hơn theo cấp số nhân. Những bức tường dày sẽ bị xuyên thủng trong nhiều tháng. Xói mòn{12}}sự ăn mòn dưới giới hạn này là không đáng kể và lớp vỏ titan có độ dày 1,0 mm có tuổi thọ sử dụng từ 4–5 năm. Lời khuyên thiết kế chính là chọn bán kính uốn cong lớn (R Lớn hơn hoặc bằng 5 × OD) và vận tốc bùn lớn dưới 2,5 m/giây, sau đó chọn độ dày thành dựa trên mức cho phép ăn mòn và yêu cầu xử lý cơ học (thông thường là 1,2 mm). Tăng độ dày thành mà không kiểm soát vận tốc hoặc hình dạng uốn cong là một cảm giác an toàn sai lầm. Bức tường 2,0 mm ở tốc độ 3,5 m/giây bị hỏng nhanh hơn bức tường 1,0 mm ở tốc độ 2,0 m/giây. Khi chỉ định bộ gia nhiệt cho bùn có tính axit mài mòn, hãy cung cấp cho nhà sản xuất vận tốc bùn và phân bố kích thước hạt ước tính và yêu cầu xác nhận bán kính uốn cong. Việc xem xét kỹ thuật chính là quản lý vận tốc, không phải độ dày thành tối đa.