Per una guaina di titanio che riscalda una sospensione di pigmento di biossido di titanio in acido solforico diluito (pH 2,5, 80 gradi), qual è la velocità di flusso critica per prevenire l'erosione-la corrosione in corrispondenza delle curve?

Il compromesso fondamentale nella progettazione del riscaldatore in titanio per fanghi acidi abrasivi
Il pigmento TiO2 viene prodotto digerendo il minerale di ilmenite in acido solforico concentrato, seguito da diluizione, idrolisi e calcinazione della soluzione. Le fasi intermedie includono il riscaldamento di una sospensione di pigmento TiO2 in acido solforico diluito (pH 2,5, 80 gradi). L'impasto liquido contiene il 20-40% in peso di particelle solide di TiO2 aventi un diametro medio di 0,2-0,5 micron ed è alquanto abrasivo. L'effetto combinato dell'elettrolita acido e dell'impatto delle particelle fornisce un ambiente di erosione-corrosione con tassi di perdita di materiale superiori alla somma dell'erosione pura e della corrosione pura. Le aree di piegatura dei tubi riscaldanti in titanio a forma di U o a serpentina sono le parti più critiche dei tubi riscaldanti, dove il percorso del flusso cambia e le particelle sono costrette a impattare sulla parete esterna (estradosso) con velocità e angolazione maggiori. Lo spessore della parete fornisce un margine di corrosione passiva, ma la variabile di progettazione importante per evitare guasti prematuri è la velocità del flusso del liquame oltre il riscaldatore. La velocità di soglia viene superata e si verifica il passaggio da un'usura lieve e uniforme a un'erosione-corrosione grave e localizzata che può rompere una parete di titanio di 2,0 mm in meno di sei mesi. Al di sotto di questa velocità soglia il rivestimento passivo di biossido di titanio è stabile e gli spessori delle pareti di 1,0–1,2 mm hanno una durata di diversi anni.

Impatto sull'integrità meccanica: effetto sinergico di erosione e corrosione in corrispondenza delle curve
Il tasso di corrosione passiva del titanio di grado 2 in acido solforico diluito a pH 2,5 in circostanze statiche o a basso flusso è 0,02-0,05 mm/anno. Le particelle dell'impasto liquido di TiO 2 sono chimicamente identiche al film passivo; quindi, ci sono effetti galvanici trascurabili. Tuttavia la componente erosiva distrugge lo strato protettivo di ossido più rapidamente di quanto possa ripassivarsi. Verso l'estradosso della curvatura, gli angoli di impatto delle particelle tendono a essere compresi tra 30-60 gradi rispetto alla superficie, la regione che massimizza la perdita di materiale per materiali fragili-duttili come il titanio. Il tasso di erosione-corrosione è una legge di potenza empirica, w˙=k⋅vnw˙=k⋅vn, con vv la velocità locale delle particelle alla curvatura e nn generalmente 2,5–3,0 per il titanio in fanghi acidi. La sostanziale dipendenza dalla velocità suggerisce un aumento di 6-8 volte della velocità di usura per un raddoppio della portata. Il tasso di erosione è insignificante per un segmento di tubo diritto con flusso parallelo alla superficie poiché le particelle scivolano invece di urtare. La differenza principale è che, a causa dell’accelerazione del flusso attorno alla curva, la velocità locale all’estradosso della curva potrebbe essere 1,5–2,5 volte superiore alla velocità del liquame sfuso. Pertanto, la velocità del flusso di massa nel tubo o nel serbatoio deve essere inferiore a una soglia corrispondente a una velocità di estradosso di curvatura di circa 3–4 m/sec dove il tasso di erosione-corrosione è inaccettabile.

Effetto sulle prestazioni termiche: interazione tra temperatura-velocità
Il gradiente termico attraverso la guaina di titanio influisce sul meccanismo di erosione-corrosione influenzando la stabilità del film passivo. Uno spessore di parete inferiore implica una temperatura superficiale inferiore per una data densità di potenza e quindi una migliore robustezza meccanica del film passivo. A una temperatura apparente di 80 gradi, una parete da 1,0 mm che lavora a 2,5 W/cm² ha una superficie esterna di circa 92 gradi; una parete da 1,5 mm raggiunge circa 98 gradi. Temperature più elevate, superiori a 90 gradi, determinano una pellicola passiva più fragile sul titanio ed è più suscettibile alla spallazione in seguito all'impatto delle particelle. I test di erosione in laboratorio-corrosione utilizzando fanghi di TiO2 (40% in peso, pH 2,5, 80 gradi) dimostrano che la soglia di velocità critica per una parete da 1,0 mm è 2,8 m/s (alla rinfusa), ma per una parete da 1,5 mm è abbassata a 2,2 m/s a causa della scheggiatura dell'ossido più caldo e fragile. Pertanto, una parete più spessa non solo comporta una maggiore usura del materiale, ma riduce anche la finestra di velocità operativa sicura, il che potrebbe portare a una perdita di produttività.

Sintesi del compromesso-off: velocità critica e matrice dello spessore delle pareti
La matrice seguente mostra la velocità critica del flusso del liquame sfuso per una guaina di titanio che riscalda un liquame di TiO2 in acido solforico diluito (pH 2,5, 80 gradi, 30% in peso di solidi, dimensione media delle particelle 0,3 µm), definita come la velocità alla quale il tasso di erosione-corrosione è pari a 0,3 mm all'anno (l'equivalente di una vita di 3 anni per una parete di 1,0 mm con fattore di sicurezza).

Raggio di curvatura del tubo (rapporto R/D) Spessore della parete del titanio Velocità di massa critica (m/s) per erosione-Corrosione limitata a<0.3 mm/year Expected Life at Critical Velocity Core Engineering Rationale
R=3× OD (curvatura stretta) 1,0 mm 1,8 m/s 2,5 – 3 anni La curvatura stretta accelera la velocità locale a 3,5-4,0 m/s all'estradosso. La parete sottile funziona a temperature più basse, aumentando marginalmente la tolleranza alla velocità. Non consigliato per l'uso continuo.
DE=3 x R (piegatura stretta) 1,5 mm 1,4 m/s 2 – 2,5 anni La parete più spessa è più calda, diminuendo la resilienza della pellicola passiva. La velocità locale rimane elevata Evitare curve strette, indipendentemente dallo spessore della parete.
R=5× OD (flessione generosa) 1,0 mm 2,8 m/s 4 – 5 anni Velocità di estradosso ≈ 1,3× volume; la curva generosa riduce al minimo l'accelerazione locale. La parete più sottile mantiene la superficie più fresca. La migliore combinazione per design freschi.
R=5× DE (curvatura generosa) 1,2 mm – 1,4 mm 2,5 m/sec 5 – 6 anni Parete leggermente più spessa, consente tolleranza all'erosione senza eccessivo aumento della temperatura. Adatto per applicazioni sensibili con escursioni di velocità poco frequenti.
R=8× DE (curvatura estremamente ampia) o tubo diritto con alette rotanti 1,0 mm – 1,2 mm > 3,5 m/s > 8 anni Rimuove l'accelerazione di piega. L'erosione-la corrosione è di minore importanza. Lo spessore della parete deve semplicemente soddisfare i criteri di pressione e corrosione.
Ingegneria dietro l'angolo: raddrizzatori di flusso e orientamento del riscaldatore
Laddove l'architettura del serbatoio rende inevitabile un raggio di curvatura stretto (R < 4 x OD), due tecniche alternative possono ridurre al minimo l'erosione-la corrosione senza sacrificare la velocità di produzione. Il fattore di accelerazione della velocità locale viene ridotto da 2,0 a 1,2 applicando raddrizzatori di flusso o girando le alette a monte della curva del riscaldatore per riorientare il liquame in modo da seguire il contorno del tubo. La simulazione fluidodinamica computazionale mostra che la velocità di estradosso di una curva 3× OD con una pala diminuisce da 4,0 m/s a 2,2 m/s con una velocità di massa di 2,0 m/s, che è inferiore alla soglia critica. Due: il riscaldatore deve essere orientato verticalmente con il liquame che scorre verso l'alto in modo che le particelle vengano spostate oltre la curva senza depositarsi o impattare ad angoli elevati. L'orientamento orizzontale con piegature sul piano orizzontale dovrebbe essere evitato poiché la gravità spinge le particelle verso l'estradosso aumentando la frequenza di impatto. Infine, una parete leggermente più spessa (1,4–1,6 mm) con un raggio di curvatura sostanziale (R=6× OD) offre una progettazione cauta per condizioni di flusso incerte o variabili, mentre l'efficienza termica è ridotta.

Conclusione: influenza del controllo della velocità e della geometria di piegatura sullo spessore della parete
La velocità del flusso richiesta per prevenire l'erosione-la corrosione in corrispondenza delle curve in una guaina di titanio che riscalda un impasto liquido di TiO 2 in acido solforico diluito a pH 2,5 e 80 gradi è di circa 2,5–3,0 m/sec di velocità di massa per un riscaldatore ben costruito con R=5× OD e spessore della parete di 1,0–1,2 mm. Qualsiasi velocità superiore a questa e la perdita di materiale sarebbe esponenzialmente maggiore. I muri spessi verranno penetrati nel giro di mesi. L'erosione-la corrosione al di sotto di questo limite è trascurabile e una guaina in titanio di 1,0 mm di spessore ha una durata di servizio di 4–5 anni. Il principale consiglio di progettazione è quello di scegliere un raggio di curvatura generoso (R maggiore o uguale a 5× OD) e una velocità del liquame sfuso inferiore a 2,5 m/sec, quindi scegliere lo spessore della parete in base alla tolleranza alla corrosione e ai requisiti di movimentazione meccanica (normalmente 1,2 mm). Aumentare lo spessore della parete senza controllare la velocità o la forma della piega è un falso senso di sicurezza. Un muro da 2,0 mm a 3,5 m/sec crolla più velocemente di un muro da 1,0 mm a 2,0 m/sec. Quando si specificano i riscaldatori per liquami acidi abrasivi, fornire al produttore la velocità stimata del liquame e la distribuzione delle dimensioni delle particelle e chiedere conferma del raggio di curvatura. La considerazione ingegneristica principale è la gestione della velocità, non lo spessore massimo della parete.