Vận tốc dòng chảy trên 2 m/s ảnh hưởng như thế nào đến sự ăn mòn-Tốc độ ăn mòn của cuộn dây gia nhiệt bằng titan cấp 12 trong dịch vụ Natri Hypochlorite?

Natri hypochlorite (NaOCl) là chất tẩy trắng, khử trùng và diệt khuẩn oxy hóa phổ biến trong các nhà máy giấy và bột giấy, cơ sở xử lý nước và nhà máy chế biến hóa chất. Việc đun nóng dung dịch natri hypoclorit là một trong những điều kiện khắc nghiệt nhất đối với thiết bị gia nhiệt kim loại do nồng độ chất oxy hóa, hàm lượng clorua và nhiệt độ khắc nghiệt cao, thường được yêu cầu để tăng cường động học phản ứng hoặc duy trì độ ổn định khi bảo quản. Titan cấp 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) đang trở thành vật liệu được lựa chọn cho máy sưởi NaOCl. Nó mang lại khả năng chống lại sự tấn công của axit và ăn mòn kẽ hở tốt hơn so với Cấp 2. Tuy nhiên, khi tốc độ dòng chảy trên 2 m/s, một quá trình hư hỏng ít được biết đến hơn là ăn mòn{12}}xói mòn sẽ chiếm ưu thế trên bề mặt cuộn dây gia nhiệt. Ở vận tốc cao, sự hòa tan điện hóa tổng hợp gây ra bởi sự loại bỏ cơ học các lớp phủ thụ động bằng lực cắt chất lỏng và các hạt rắn lơ lửng tạo ra tốc độ làm mỏng thành ống có thể làm thủng một ống đo tiêu chuẩn{14}}trong nhiều tháng. Bài viết này đánh giá đặc tính ăn mòn-xói mòn của titan Lớp 12 trong dịch vụ NaOCl như là một hàm của tốc độ dòng chảy, nồng độ và nhiệt độ hypochlorite, đồng thời đưa ra các giới hạn thiết kế cho bộ gia nhiệt kiểu cuộn dây trong đó vận tốc dòng chảy về bản chất có thể thay đổi.

Xói mòn-Cơ chế ăn mòn trong môi trường Hypochlorite
Ăn mòn-ăn mòn không phải là ăn mòn cơ học thuần túy hay ăn mòn điện hóa thuần túy, tuy nhiên cả hai cơ chế này đều góp phần hiệp lực vào việc thất thoát vật chất. Titan Lớp 12 thể hiện màng thụ động TiO2 bảo vệ trong dung dịch natri hypoclorit{4}}tĩnh hoặc dòng chảy thấp. Hypochlorite là chất oxy hóa rất mạnh (khả năng khử tiêu chuẩn ClO-/Cl-=+0.89 V so với SHE) nên màng hình thành nhanh và việc bổ sung hợp kim molypden và niken giúp nó không bị phân hủy khi có clorua. Ở tốc độ dòng chảy dưới 1,5 m/s, màng thụ động ổn định và tốc độ ăn mòn thường nhỏ hơn 0,01 mm/năm.

Khi tốc độ dòng chảy vượt quá 2 m/s, ứng suất cắt chất lỏng ở thành ống bắt đầu làm xáo trộn màng thụ động về mặt cơ học. Ứng suất cắt cần thiết để loại bỏ lớp màng thụ động trên titan cấp 12 trong 5% NaOCl ở 40 độ là khoảng 15 Pa, tương ứng với tốc độ dòng nước là 2,0-2,3 m/s trên bề mặt ống nhẵn. Sau khi loại bỏ cơ học lớp thụ động, titan trần lộ ra sẽ hòa tan nhanh trong môi trường hypochlorite, với tốc độ hòa tan trên các bề mặt mới bị mài mòn ước tính là 0,5-2,0 mm mỗi năm. Trong hypochlorite tĩnh, quá trình tái thụ động xảy ra trong vòng một phần nghìn giây, nhưng dòng hypochlorite ngăn chặn sự tái tạo hoàn toàn của màng bằng cách liên tục quét đi các ion titan hòa tan và bằng cách giữ nồng độ cục bộ của các chất chứa oxy ở vùng lân cận bề mặt kim loại ở mức thấp.

Sự hiện diện của các hạt rắn lơ lửng làm trầm trọng thêm đáng kể sự ăn mòn-sự ăn mòn. Dung dịch natri hypoclorit thương mại thường chứa natri clorat (NaClO3), natri clorua (NaCl) và các hạt oxit kim loại do bị phân hủy trong quá trình bảo quản. Ngay cả những kết tủa nước cứng như canxi cacbonat cũng có thể hình thành trong hệ thống NaOCl. Các hạt như vậy tác động lên bề mặt ống với vận tốc cao hơn 2 m/s và gây ra biến dạng dẻo cục bộ, xé màng thụ động và gắn các hạt mài mòn. Trong dòng chảy chứa đầy hạt-, tốc độ ăn mòn-có thể gấp 5-20 lần tốc độ quan sát thấy trong dòng chất lỏng sạch ở cùng vận tốc.

Xói mòn-Dữ liệu về tốc độ ăn mòn (Định lượng)
Các thử nghiệm vòng lặp có kiểm soát của titan cấp 12 trong natri hypoclorit được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị điện cực hình trụ quay (RCE) để đưa ra các phép đo ăn mòn-ăn mòn có khả năng tái tạo. Tỷ lệ hao hụt vật liệu, được xác định bằng sự giảm trọng lượng sau 500 giờ phơi nhiễm, thu được bằng thử nghiệm ở 40 C với 5% clo sẵn có (như NaOCl, pH 11,5), với hàm lượng clorua 8%, ở tốc độ quay tương ứng với vận tốc bề mặt từ 0,5 đến 5,0 m/s, là:

Đối với tốc độ dòng chảy 1,0 m/s, tốc độ ăn mòn-của titan cấp 12 nhỏ hơn 0,01 mm/năm, không thể phân biệt được với ăn mòn tĩnh. Tốc độ duy trì dưới 0,02 mm mỗi năm ở mức 1,5 m/s. Ở tốc độ 2,0 m/s, tốc độ này tăng lên 0,05 mm mỗi năm, tuy nhiên có thể chấp nhận được đối với ống vách 1,65 mm được thiết kế để hoạt động trong 10 năm (tổng dung sai 0,5 mm). Ở tốc độ 2,5 m/s tốc độ tăng lên đáng kể đến 0,15 mm mỗi năm. Và tốc độ là 0,35mm mỗi năm với tốc độ 3,0 m/giây. Ở tốc độ 4,0 m/s tốc độ là 0,8 mm/năm. Tốc độ hơn 1,5 mm mỗi năm với tốc độ 5,0 m/giây đủ để đục thủng thành ống 1,65 mm trong 13 tháng.

Ngược lại, titan Loại 2, trong các điều kiện tương đương, có tốc độ ăn mòn cao hơn khoảng 2-3 lần ở mọi vận tốc trên 2 m/giây. Ở tốc độ 3,0 m/s, cấp 2 mất vật liệu với tốc độ 0,9 mm/năm và ở tốc độ 4,0 m/s, tốc độ tăng lên 2,0 mm/năm. Hiệu suất tốt hơn của Lớp 12 là do hàm lượng molypden làm tăng độ cứng của màng thụ động và giảm tính dễ bị tổn thương do sự gián đoạn cơ học và hàm lượng niken cho phép tái tạo nhanh chóng sau khi màng bị xuống cấp.

Xói mòn-tốc độ ăn mòn tăng theo hệ số từ 4 đến 6 đối với mọi vận tốc khi có sự hiện diện của các hạt alumina lơ lửng 50 ppm (đường kính trung bình 20 µm). Lớp 12 mất vật liệu ở mức 0,7 mm mỗi năm với tốc độ 2,5 m/s với các hạt. Với các hạt ở tốc độ 3,5 m/s, tốc độ là 1,8 mm mỗi năm và bất kỳ tuổi thọ sử dụng nào vượt quá hai năm đều trở nên không khả thi.

Xói mòn-ăn mòn do bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nồng độ
Nhiệt độ thúc đẩy quá trình phân hủy điện hóa và làm suy yếu màng cơ học của quá trình ăn mòn{0}}ăn mòn. Tốc độ ăn mòn-của titan Lớp 12 trong NaOCl 5% ở tốc độ dòng chảy 3,0 m/s cao gấp đôi ở góc 40 độ so với 30 độ (0,18 mm/năm đến 0,35 mm/năm). Việc tăng nhiệt độ từ 40 độ lên 50 độ sẽ làm tăng tốc độ thêm 1,8 lần (từ 0,35 lên 0,63 mm mỗi năm). Natri hypochlorite không bền nhiệt ở nhiệt độ trên 50 độ và phân hủy nhanh chóng thành clorat và clorua cùng với sự giải phóng oxy. Các sản phẩm phân hủy bao gồm axit clohydric có tác dụng axit hóa cục bộ dung dịch và đẩy nhanh quá trình hòa tan titan. Vì những lý do này, việc đun nóng NaOCl trên 50 độ thường không được khuyến khích, bất kể vật liệu được chọn là gì.

Nồng độ hypochlorite cũng ảnh hưởng đến tốc độ xói mòn{0}}ăn mòn. Tốc độ ăn mòn-tăng gấp đôi (từ 0,08 đến 0,15 mm mỗi năm) khi lượng clo sẵn có tăng từ 2% lên 5% ở tốc độ 2,5 m/giây và 40 độ . Tăng gấp ba lần [từ 5% lên 10%] tốc độ tăng (0,15 đến 0,45 mm mỗi năm). Kết quả này là do động lực hòa tan điện hóa từ nồng độ chất oxy hóa cao hơn tăng lên khi màng thụ động bị phá vỡ. Đối với dung dịch NaOCl đậm đặc (chất tẩy thương mại trung bình chứa 12{17}}15% clo hiện có), hạn chế xói mòn-ăn mòn trở nên nghiêm trọng – tốc độ dòng chảy tối đa được khuyến nghị cho Lớp 12 là 1,5 m/s.

Ma trận lựa chọn tốc độ dòng chảy của cuộn dây gia nhiệt NaOCl
Bảng dưới đây cung cấp hướng dẫn thiết kế dành cho các kỹ sư chỉ định cuộn dây gia nhiệt titan cấp 12 cho dịch vụ natri hypoclorit, tùy thuộc vào nồng độ clo sẵn có, nhiệt độ vận hành và liệu dung dịch có trong hay không có chất rắn lơ lửng.

Điều kiện sử dụng NaOCl Nồng độ (% tận dụng Cl₂) Nhiệt độ ( độ ) Max. Vận tốc dòng chảy đề xuất (m/s)Xói mòn dự kiến-tốc độ ăn mòn (mm/năm)Ước tính tuổi thọ của ống (Độ dày thành ống 1,65 mm)
Bảo quản chất tẩy, gia nhiệt trong (không có chất rắn) 5-6 % 30-35 độ 2,5 m/s 0,08-0,12 mm/năm 10-15 năm
Gia nhiệt kho chứa thuốc tẩy 5-6% 40-45 độ 2,0 m/s 0,05-0,08 mm/năm 15-20 năm
Làm nóng chất tẩy được lưu trữ 10-12% 30-35 độ 1,8 m/s 0,10-0,15 mm/năm 8-12 năm
Nhà máy tẩy trắng (đã lọc) từ nhà máy bột giấy 3-4% 40-45 độ 2,2 m/s 0,08-0,10 mm/năm 12-15 năm
Nhà máy tẩy bột giấy (không lọc, sợi dạng vết) 3-4 % 40-45 độ 1,5 m/s 0,15-0,25 mm/năm 5-8 năm
Khử trùng nước thải (nước thải thứ cấp, hạt lơ lửng) 0,5-1% 25-30 độ 1,2 m/giây 0,10-0,20 mm/năm 6-10 năm
Bộ gia nhiệt quá trình hóa học (NaOCl sạch, ức chế) 8-10% 45-50 độ 1,2 m/giây 0,20-0,35 mm/năm 3-5 năm
Any service containing abrasive particles >50 ppmAny Any Max 1.0 m/s Variable, generally >0,5 mm/năm<3 years
Phương pháp thiết kế cho cuộn dây điều khiển vận tốc
Trong các ứng dụng có cuộn dây gia nhiệt, tốc độ dòng chảy không phải là một tham số cố định dọc theo cuộn dây. Vận tốc tối đa trong các ống có đường kính nhỏ hơn và gần đầu vào của cuộn dây. Các chiến lược thiết kế để kiểm soát sự ăn mòn do xói mòn bao gồm việc sử dụng đường kính ống lớn hơn (đường kính ngoài 25{6}}32 mm) để giảm vận tốc cho một tốc độ dòng thể tích nhất định, định hướng các cuộn dây theo chiều dọc chứ không phải theo chiều ngang để đạt được sự phân bố dòng đồng đều hơn và thêm bộ làm thẳng dòng hoặc bộ khuếch tán ở đầu vào của cuộn dây để phá vỡ các tia dòng chảy rối. Trong các ứng dụng mà vận tốc lớn hơn 2,5 m/s là không thể tránh khỏi--ví dụ: trong một lần-thông qua các bộ gia nhiệt được kết nối với đường ống tốc độ cao hiện có--một ống vách nặng hơn (2,5-3,0 mm) sẽ cung cấp thêm khả năng chống ăn mòn, mặc dù mối quan hệ không phải là tuyến tính vì quá trình ăn mòn-xói mòn tăng tốc khi tường mỏng đi và vận tốc cục bộ tăng do mặt cắt giảm.

Bố trí dòng chảy nhánh chỉ chuyển hướng một phần của tổng dòng chảy qua bộ gia nhiệt, trong khi dòng chảy chính đi vòng. Việc bố trí dòng chảy phụ có thể làm giảm-vận tốc bên ống mà không làm giảm khả năng truyền nhiệt. Ngoài ra, dòng chảy được chia thành nhiều cuộn dây song song, làm giảm vận tốc trong mỗi cuộn dây. Đối với các hệ thống lắp đặt mới khi dự đoán vận tốc đạt tới 2 m/giây, nên mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) tính toán của cấu hình đường ống riêng lẻ.

Tóm tắt thông số kỹ thuật của bộ gia nhiệt NaOCl
Đối với cuộn dây đốt nóng làm bằng titan Cấp 12 sử dụng natri hypoclorit, tốc độ dòng chảy trên 2 m/s dẫn đến tốc độ ăn mòn-có thể phát hiện được, tốc độ ăn mòn này tăng nhanh khi tốc độ, nhiệt độ, nồng độ và các hạt lơ lửng tăng lên. Vận tốc an toàn cao nhất đối với NaOCl 5% tinh khiết ở 40 độ là 2,5 m/s, mang lại tỷ lệ hao hụt vật liệu chấp nhận được là 0,1 mm mỗi năm và tuổi thọ ống là 10-15 năm với độ dày thành 1,65 mm. Đối với NaOCl 10-12% hoặc nhiệt độ > 45 độ, tốc độ an toàn tối đa giảm xuống còn 1,5-1,8 m/s. Đối với bất kỳ dịch vụ nào liên quan đến dòng xử lý chưa được lọc hoặc các hạt mài mòn, vận tốc phải nhỏ hơn 1,5 m/s, tốt nhất là nhỏ hơn 1,0 m/s. Khi chỉ định cuộn dây gia nhiệt Cấp 12, các kỹ sư nên cung cấp cho nhà cung cấp tốc độ dòng ước tính (hoặc tốc độ dòng thể tích và kích thước ống), nồng độ clo có sẵn, nhiệt độ vận hành và ước tính tải hạt lơ lửng. Kiến thức này có thể được sử dụng để xác định đường kính ống, độ dày thành và cách bố trí cuộn dây chính xác sao cho tốc độ ăn mòn nằm trong giới hạn chấp nhận được. Đối với vận tốc duy trì trên 2,5 m/s, nên xem xét các vật liệu khác như titan cấp 7 (có khả năng chống ăn mòn-ăn mòn tương tự) hoặc thép cacbon lót. Lớp 12 sẽ không mang lại tuổi thọ như mong đợi dưới dòng chảy hypochlorite tốc độ cao.