מדוע מחמם PFA המותקן בכיוון אופקי במיכל חומצה חנקתית רותחת מפתח סדקים במשטח העליון בתוך 6 חודשים?
השאר הודעה
מחמם PFA המותקן אופקית במיכל חומצה חנקתית רותחת (לדוגמה, 20-30% HNO₃ ב-105-110 מעלות) מפתח באופן קבוע סדקים היקפיים על פני השטח העליון תוך 3-6 חודשים, בעוד שמחמם המותקן אנכי באותו שירות עשוי להחזיק מעמד 2-3 שנים. הידרדרות חמצונית מואצת, התחממות מקומית ושמיכת אדים תורמים כולם לכישלון. שכבת אדים רציפה המבודדת את ה-PFA נוצרת כאשר בועות רותחות עולות ומתאספות לאורך החלק העליון של הצינור האופקי. בעוד שהחלק התחתון עדיין מקורר על ידי נוזל, טמפרטורת המשטח העליון עולה מ-115-120 מעלות ל-180-250 מעלות. ה-PFA מתחמצן קשות על ידי אדי חומצה חנקתית עזים הכלואים מאחורי השמיכה. התפרקות מהירה, סדקים ובסופו של דבר ניקוב הם התוצאות. עבור חומצות רותחות, כיוון אופקי הוא בעצם לא מתאים; התקנה אנכית מומלצת מאוד.
מנגנון שמיכת אדים של מחממים אופקיים
בועות אדים מופיעות על פני השטח של המחמם במהלך רתיחה גרעינית. בועות נפרדות במהירות ועולות על תנור חימום אנכי, גורפות את פני השטח ומשמרות מגע נוזלי. בועות שנוצרות בחציו התחתון של מחמם אופקי עולות ופוגעות בחצי העליון, שם הן מתחברות ויוצרות שכבת אדים רציפה או חצי-רציפה. מתחת לשמיכת האדים, מקדם העברת החום יורד מ-5,000-10,000 W/m²·K (רותח נוזל) ל-100-300 W/m²·K (סרט אדים). טמפרטורת פני השטח מתחת לשמיכת האדים עולה ל-T_surface=T_fluid + q/h=110 + 30,000/200=260 מעלות עבור שטף חום קבוע של 3 W/cm² (30,000 W/m²). זה מעל לטמפרטורת השימוש הרציף הבטוחה של PFA של 200 מעלות ומתקרבת לנקודת ההיתוך שלה של 305 מעלות. תחת לחץ תרמי, ה-PFA מתרכך, מתחמצן במהירות באדי חומצה חנקתית ומתפצל.
רטיבות לסירוגין גורמת למתח מחזורי גם על המשטח העליון. הטמפרטורה משתנה כל כמה שניות בין 110 מעלות ל-260 מעלות כאשר שמיכת האדים נבנית וקורסת. סדקים היקפיים נוצרים מהלם תרמי זה באלפי מחזורים (ימים עד שבועות).
השוואה בין ביצועים אופקיים ואנכיים בהרתחה של 25% HNO₃ ב-108 מעלות
תחילת פיצוח כיוון (חודשים) טמפרטורת משטח עליון (מעלה) טמפרטורת משטח תחתון (מעלה) מצב כשל דומיננטי חיים יחסיים אופקי (25 מ"מ OD) 210–260 115–125 3–6 סדקים היקפיים בחלק העליון 1.0× אופקי עם מחזור מאולץ (0). 160–190 130–140 8–12 השפלה כללית 2.0× אנכי (אותו מחמם) 115–125 115–125 24–366–8 שנים של יישון אחיד
אופקי עם מגן אדים (כיסוי מתכת מחורר מעל) 130–150 120–130 18–24 קורוזיה בקצוות המגן 4–5× אופקי, מופחת ל-1.5 W/cm² 150–180 110–120 12–18 עדיין סדקים 3× מדוע מאיץ נזק חומצה חנקתית
חומר מחמצן חזק אחד הוא חומצה חנקתית. על ידי חמצון קצוות השרשרת ויצירת קבוצות קרבוניל פלואוריד, אדי HNO₃ מפרקים במהירות PFA ב-200 מעלות. פני השטח מפתחים סדקים זעירים ונעשים שביר (הקשיות עולה מ-66 ל-78 Shore D). מצד שני, חומצות שאינן-מחמצנות או מים טהורים מתפרקים לאט יותר. מחזור כישלון-עצמי נוצר כאשר משולבים חומצה חנקתית ושמיכת אדים: שמיכת האדים מגבירה את הטמפרטורה, מה שמאיץ את החמצון, מה שמגביר את החספוס של פני השטח, מה שמעודד הידבקות בועות, מה שמשפר את שמיכת האדים.
דוגמה בשטח
במיכל של 2,000 ליטר רותח של 25% HNO₃ (108 מעלות), מפעל כימי שם תנור PFA 6 קילוואט אופקית. ארבעה חודשים לאחר מכן, תקלת הארקה גרמה לתקיעה של התנור. בבדיקה נמצא בשטח העליון סדק היקפי באורך 5 ס"מ עם שבריריות והצהבה ניכרת. המחמם האנכי באותו מיכל באותו מפעל פעל ללא רבב במשך שלושים חודשים. למתקן לא היו כשלים מוקדמים נוספים לאחר החלפת המחמם האופקי בהתקנה אנכית. עבור כל שירות חומצה רותחת, הרכבה אופקית אסורה כעת.
צמצום התקנות אופקיות הכרחיות
שלוש שלבים מורידים את הסכנה של סדק משטח עליון אם לא ניתן להימנע מכיוון אופקי (מכלים רדודים, אילוצי מקום):
התקן מגן אדים: כדי למנוע שמיכת אדים רציפה ולהפריע להתאחות הבועות, הכנס לוחית נירוסטה מחוררת עם חורים של 5 מ"מ ו-40% שטח פתוח 10-20 מ"מ מעל התנור. המגן פועל בטמפרטורה דומה, אך מכיוון שהוא מתכתי, הוא אינו יכול להתחמצן.
צפיפות וואט נמוכה יותר: אפילו עם כיסוי אדים חלקי, שמור על טמפרטורת המשטח העליון מתחת ל-150 מעלות על ידי הפעלה של פחות או שווה ל-1.5 W/cm².
שלב זרימה מאולצת: לפני שהבועות מתלכדות, הן נסחפות מהמשטח העליון על ידי תסיסה או משאבת מחזור הנעה במהירות גבוהה מ-0.3 מ'/שנייה.
סיבוב חימום שבועי של 180 מעלות מחלק עומס תרמי אך פשוט דוחה כשל.
לסיכום, פיצוח מהיר של פני השטח העליון נגרם על ידי הרכבה אופקית בחומצה חנקתית רותחת.
בתוך שלושה עד שישה חודשים, שמיכת אדים גורמת להופעת סדקים היקפיים על המשטח העליון של מחמם PFA המוצב אופקית במיכל חומצה חנקתית רותחת. כאשר בועות מצטברות בחלק העליון, נוצרת שכבת אדים מבודדת, מעלה את טמפרטורת ה-PFA מעל 200 מעלות ומזרזת פיצוח הלם תרמי ופירוק חמצוני. על ידי הסרת שמיכת האדים, כיוון אנכי מגדיל את תוחלת החיים של המחמם לשנתיים עד שלוש. יש להימנע מהרכבה אופקית בעת התמודדות עם חומצות רותחות. השתמש בסירקולציה מאולצת, צפיפות וואט נמוכה יותר, או התקן מגני אדים אם אינך יכול למנוע זאת. המשטח העליון של מחמם אופקי בחומצה רותחת הוא מתכון לאסון. החלף אותו לעתים קרובות או התקן אותו אנכית.
