황산 농도 및 온도의 임계 임계값은 1.6mm 316 스테인리스 스틸 보호관이 평방 센티미터당 15W를 초과하는 연속 침수 가열에 안전하지 않게 됩니까?

금속 산 세척 라인, 배터리 제조 및 화학 합성 반응기의 황산 서비스용 전기 침지 히터를 설계하는 화학 공정 엔지니어는 316 스테인리스강을 외피 재료로 선택하려면 부동태 피막 파괴가 발생하는 농도{0}}온도 한계를 정확하게 알아야 합니다. 무기산 중에서 황산만이 중간 농도(40~60%)에서 316 스테인리스강에 대해 최대로 부식성이 있는 것으로 나타났으며 농도가 낮을수록 감소합니다. 1.6mm 벽 두께의 일반적인 표준은 실제적인 열 전달과 기계적 견고성 사이의 절충안을 제공합니다. 그러나 농도, 온도 및 와트 밀도의 중요한 조합 이상으로 작동하면 급속한 활성 부식이 발생하여 피복 수명이 몇 년에서 몇 주로 단축될 수 있습니다. 이 문서에서는 15W/cm 이상의 전력 밀도에서 연속 침지 가열에 안전하지 않은 1.6mm 316 외장의 정확한 한계를 설명합니다.2 .

황산에 노출된 316의 수동성에서 활성으로의 변화
황산에 대한 316 스테인리스강의 내식성은 패시브 산화크롬 코팅의 안정성에 따라 달라집니다. 부동태 피막은 15% 미만에서 최대 60도까지 농도의 묽은 황산에서 안정적이며 부식 속도는 연간 0.1mm 미만입니다. 농도가 40-60%로 증가하면 산의 환원 경향이 부동태 피막을 지배하고 연간 5{23}}20mm의 비율로 활성 부식으로 전환됩니다. 70% 이상의 농도에서 황산은 다시 산화되어 316 표면을 재부동태화하고 부식 속도를 0.5mm/년 미만으로 감소시킵니다. 피복 표면 온도는 침지형 히터의 열 유속으로 인해 일반적으로 벌크 산 온도보다 20~50도 높습니다. 50도 벌크 산에서 15W/cm^2 히터의 외피 표면 온도는 80~90도일 수 있습니다. 이로 인해 표면 온도가 높아지고 수동에서 능동으로의 전환이 더 낮은 농도로 이동됩니다. 50C에서 안전한 30% 벌크 산 농도는 국소 온도가 70C를 초과하는 경우 피복 표면에서 공격적일 수 있습니다. 따라서 1.6mm 316 보호관의 안전한 작업 창은 벌크 산 온도가 아닌 최고 표면 온도에 의해 결정됩니다.

제곱센티미터당 15와트에서 1.6밀리미터 벽의 임계 임계값
스웨이지형 히터 덮개의 일반적인 표면 광택(0.5 ~ 0.8 미크론 Ra)을 사용하여 316개 샘플에 대한 실험적 부식 테스트를 통해 활성 부식 시작에 대한 다음과 같은 필수 임계값이 산출됩니다. 부동태막이 파괴되는 황산의 임계농도는 표면온도 60도에서 55% 내외이다. 임계 농도는 표면 온도 70도에서 48%로 감소합니다. 80도에서는 임계값이 42%로 감소합니다. 90도에서는 38%입니다. 100도에서는 32%로 감소합니다. 15W/cm 2 의 1.6mm 벽 외장의 경우 벌크 산에서 외장 표면까지의 온도 상승은 자연 순환 산에서 약 25~30도입니다. 벌크 산은 50도이고 외피 표면은 75-80도입니다. 따라서 임계농도는 약 40%이다. 이 온도에서 벌크 산 농도가 40%를 초과하면 며칠 내에 활성 부식이 시작됩니다. 활성 부식이 시작되면 부식 속도는 일반적으로 5~15mm/년이므로 1~4개월 안에 1.6mm 피복이 천공됩니다. 임계 농도 이하, 동일한 표면 온도에서 부식 속도는 0.2mm/년 미만이므로 5~8년의 사용 수명이 가능합니다. 점진적인 변화가 아닌 갑작스러운 변화입니다. 농도의 2-3% 변화 또는 온도의 5도 변화는 수년간의 작동과 몇 주 내에 치명적인 고장 사이의 차이를 의미할 수 있습니다.

황산 - 안전 작동 봉투의 1.6mm 316 외장
다음 표는 15W/cm의 와트 밀도에서 1.6mm 316 스테인리스 스틸 외장에 대한 안전한 작동 범위를 설명합니다.2 . 값은 외장 표면 온도가 수동-에서-활성 전이 온도보다 낮은 온도와 벌크 산 농도의 조합을 나타냅니다.

15W/cm2에서 1.6mm 피복에 대한 최대 안전 벌크 온도 최대 안전 벌크에서 피복 표면 온도 예상 부식율 1.6mm에서 예상 수명 0 – 10% 95도 120 – 125도 0.08 – 0.15mm/년 8 – 12년 10 – 20% 90도 115 – 120도 0.10 – 0.20mm/년 6 – 10년 20 – 30% 80도 105 – 110도 0.15 – 0.30mm/년 4 – 8년 30 – 35% 65도 90 – 95도 0.20 – 0.40mm/년 3 – 5년50도 75 – 80 정도 0.30 – 0.60 mm/년 2 – 4년 40 – 45% 어떤 온도에서도 안전하지 않음 65도 이상 활성 부식 > 5 mm/년 몇 주에서 몇 달까지
45~60% 모든 온도에서 안전하지 않음 모두 활성 부식 > 10mm/년일~주
60~70% 50도 75~80도 0.50~1.00mm/년 1~2년(과도기)80도 105~110도 0.20~0.40mm/년 3~5년(재-부동태화)
80 – 93% 100도 125 – 130도 0.10 – 0.20mm/년 6 – 10년
93% 이상 120도 145~150도 0.05~0.10mm/년 10~15년
벌크 산 농도가 40~60%인 경우 벌크 온도와 와트 밀도의 조합은 지속적인 서비스를 위한 안전한 1.6mm 316 피복을 제공하지 않습니다. 부동태 피막은 30도 이상의 온도에서는 불안정하며, 열 흐름으로 인한 피복 표면의 고온은 활성 부식을 보장합니다. 이 농도 범위에서 엔지니어는 합금 20(목수 20) 또는 합금 825와 같이 내식성이 더 높은 합금을 지정하거나 흑연 또는 탄화규소 침지 히터와 같은{10}비금속 가열 기술을 사용해야 합니다. 예를 들어, 55도 벌크 온도의 38% 황산은 안전 봉투 가장자리에서 약간의 공정 혼란으로 인해 피복이 활성 영역으로 밀려날 수 있습니다. 엔지니어는 표에 명시된 최대 안전 온도보다 최소 5도 낮은 안전 여유를 적용해야 합니다.

안전 작동 범위를 확장하기 위한 설계 수정
공정 조건이 1.6mm 316 외장의 임계 임계값에 접근하면 외장 재료를 변경하지 않고도 세 가지 설계 조정을 통해 안전한 작동 환경을 확장할 수 있습니다. 첫 번째는 와트 밀도를 최소화하는 것입니다. 15W/cm² 대신 8W/cm²에서 작업하면 피복 표면 온도가 약 15~20도 떨어집니다. 히터는 60도(표면 온도 85~90도)에서 38% 황산의 15W/cm2에서는 위험하고 8W/cm2(표면 온도 70~75도)에서는 안전합니다. 단점은 히터 길이나 직경이 더 크다는 것입니다. 두 번째 조정은 피복 표면을 가로지르는 산의 흐름을 증가시키는 것입니다. 펌프나 교반기에 의한 강제 순환은 열전달 계수를 자연 대류의 200 – 500 W/m 2 K에서 난류의 1000 – 2000 W/m 2 K로 높여 표면 온도 상승을 40 – 60% 낮춥니다. 따라서 정체된 산에서 30°C 상승을 생성하는 히터는 잘 순환된 산에서 단지 12°C 상승을 생성할 수 있으며 피복 표면을 임계 수준 아래로 유지할 수 있습니다. 세 번째 변화는 산에 산화제를 첨가하는 것입니다. 수동 상태에서 활성 상태로의 전환은 질산 또는 과산화수소의 작은 농도(0.1-0.5%)로 용액의 산화 잠재력을 유지함으로써 더 높은 온도와 농도로 전환될 수 있습니다. 그러나 이는 프로세스 제약으로 인해 항상 실행 가능한 것은 아닙니다. 예상치 못한 히터 고장으로 인해 상당한 생산 손실이 발생할 수 있는 중요한 설치에서 엔지니어는 히터 덮개에 전자적으로 부착된 작은 316 쿠폰인 부식 모니터링 프로브를 설치해야 합니다. 프로브와 기준 전극 사이의 갈바닉 전류가 갑자기 증가하면 패시브 필름이 조기에 파손되었음을 나타내며 작업자는 외장 손상을 방지하기 위해 전력을 줄이거나 산 함량을 변경할 수 있습니다. 황산용 히터를 지정할 때 항상 공급업체에 벌크 농도와 예상 벌크 온도 범위를 언급하고 제안된 와트 밀도 및 벽 두께에 대해 계산된 피복 표면 온도를 요청하십시오. 제조업체가 이 계산을 수행할 수 없다면 해당 응용 프로그램을 신뢰하지 마십시오. 안전한 작동과 황산의 치명적인 고장 사이의 차이는 때때로 피복 표면 온도가 10도 미만이므로 정확한 열 분석은 신뢰할 수 있는 히터 사양에 중요합니다.