Per il riscaldamento di miscele di acido formico/acqua in condizioni agitate, in che modo il rapporto tra diametro del tubo-e-parete altera l'erosione-la resistenza alla corrosione?

Miscele acquose di acido formico (HCOOH) generano un ambiente riducente che mette a dura prova la stabilità del film passivo del titanio. L'acido formico non induce condizioni ossidanti per la ripassivazione spontanea come l'acido nitrico o l'acqua di mare. Per concentrazioni di acido formico comprese tra il 10 e il 90% a temperature elevate (70-100 gradi) il titanio utilizza un foglio di ossido sottile e relativamente instabile. Quando l'agitazione è fornita mediante agitazione meccanica, ricircolo della pompa o diffusione di gas, gli effetti combinati dell'attacco chimico e del taglio meccanico del fluido producono uno stato di erosione-corrosione. La risposta della superficie del titanio a questo doppio attacco dipende fortemente dal rapporto diametro/parete (D/t) del tubo. Un D/t più piccolo (parete più spessa rispetto al diametro) altera lo stato di sollecitazione superficiale e l'idrodinamica del flusso nell'interfaccia del fluido del tubo-, che influenza direttamente la velocità di rimozione del materiale.

Meccanismi di erosione-di corrosione nell'acido formico agitato

L'erosione-la corrosione è diversa dalla corrosione pura o dall'erosione pura; Nell'acido formico la componente corrosiva attacca continuamente il film passivo, mentre la componente di agitazione rimuove meccanicamente gli strati superficiali parzialmente protettivi. Lo sforzo di taglio è proporzionale al quadrato del gradiente di velocità locale ed è causato dalla velocità del fluido sulla superficie del tubo. Per una data portata, le velocità locali e le sollecitazioni di taglio sono più elevate nei tubi con diametri più piccoli (e quindi rapporti D/t più bassi per lo stesso spessore di parete). Tuttavia l’effetto dominante è dovuto alla deformazione superficiale. In risposta all'agitazione, i tubi vibrano a frequenze legate alla loro rigidità. La rigidità flessionale del tubo è proporzionale al momento d'inerzia, che varia come (D4 - (D-2t)4). Un rapporto D/t più piccolo produce un tubo più rigido che resiste alla deformazione superficiale dovuta alle vibrazioni. La ridotta deformazione superficiale fa sì che il film passivo si rompa meno spesso meccanicamente e quindi la parte di corrosione può essere più lenta e uniforme invece che rapida e mediante rottura del film.

Correlazione quantitativa tra velocità di rimozione materiale e rapporto D/t

Test di circuito controllati in acido formico al 50% a 85 gradi, velocità di flusso di 2 m/s e agitazione da una turbina Rushton (velocità di punta 3 m/s) hanno prodotto le seguenti relazioni per il titanio di grado 2:

8 Rapporto D/t (ad es.. 20mm di diametro, parete di 2,5 mm): tasso di rimozione del materiale di 0,08 mm/anno. Il rapporto parete/diametro relativamente grande si traduce in un tubo rigido con una frequenza naturale superiore a 200 Hz, molto al di sopra delle normali frequenze dell'agitatore (20-50 Hz). Minimo disturbo dovuto alle vibrazioni della pellicola. L'erosione-corrosione ha una distribuzione omogenea ed è prevedibile.

Rapporto D/t di 15 (ad es. . 24 mm di diametro, parete 1,6 mm): Tasso di rimozione del materiale: 0,22 mm/anno. La rigidità del tubo è diminuita di circa il 60% rispetto a D/t=8. Alle frequenze di passaggio delle pale dell'agitatore, si verificano vibrazioni risonanti. La rottura localizzata della pellicola sui supporti del tubo e a metà-intervallo aumenta il tasso di rimozione di un fattore di 2,7.

Rapporto D/t di 25 (ad es. . 25 mm di diametro, parete 1,0 mm): tasso di rimozione del materiale di 0,55 mm/anno. La rigidità del tubo è diminuita di circa l'85% rispetto a D/t=8. Le vibrazioni eccessive causano sfregamenti nei punti di contatto. Il tasso di rimozione diventa molto localizzato con l’assalto potenziato nei punti di maggiore ampiezza di spostamento.

Rapporto D/t 33 (ad es. . 33 mm di diametro, parete 1,0 mm): tasso di rimozione del materiale > 1,0 mm/anno. Il tubo sarà sottoposto a vibrazioni indotte dal flusso-indipendentemente dal design dell'agitatore. Non consigliato per l'uso con formica agitata.

Guida alla selezione del rapporto diametro/parete per applicazione

Il quadro decisionale per la scelta del miglior rapporto D/t in funzione dell'intensità dell'agitazione e della concentrazione di acido formico è riportato nella tabella seguente.

Condizioni di agitazione e concentrazione di acido formico Rapporto D/t consigliato Fondamenti fondamentali ed erosione-Modifica della corrosione
Turbina lenta,<1 m/s tip speed, mild agitation, 10–30% formic acid, 70°C 20–25 (e.g., 25 mm × 1.0 mm)Lower acid content results in lower corrosion rate. Thin wall, vibration regulated with additional supports every 500 mm. Reduced material cost.
Agitazione moderata (velocità punta 2 m/s, serbatoio con deflettore), acido formico al 30–60%, 85 gradi da 12 a 18 (ad esempio, 22 mm × 1,5 mm o 30 mm × 2,0 mm) Compromesso tra trasferimento di calore (preferibilmente pareti più sottili) e rigidità (preferibilmente pareti più spesse). Disposizione tipica del riscaldatore industriale.
Agitazione intensa (miscelatore ad alto- taglio, sparging di gas), acido formico al 60-90%, 100 gradi 8-12 (ad es.. 25 mm x 2,5 mm o 20 mm x 2,0 mm) Resistenza all'erosione e alla corrosione massima desiderata. Accetta un trasferimento di calore inferiore (la parete più spessa aumenta la resistenza termica) Supplemento per materiale in titanio.
Acido formico agitato, cristalli sospesi (condizioni abrasive) 6–10 (ad esempio, 20 mm×2,5 mm o 18 mm×2,0 mm) Rapporto D/t ridotto al minimo per la massima rigidità. Lo spessore della parete prevede anche un margine di abrasione. Si consigliano manicotti antiusura sostituibili.
Ingegneria del rapporto diametro esterno/parete

Il rapporto D/t non è indipendente dalla configurazione del supporto del tubo. I supporti intermedi separati a intervalli non superiori a 20 diametri di tubo riducono al minimo l'ampiezza delle vibrazioni di un fattore compreso tra il 70 e l'80% per qualsiasi rapporto D/t maggiore di 15. Il materiale di supporto è importante: gli inserti in PTFE o PEEK evitano la corrosione galvanica e riducono al minimo lo sfregamento rispetto ai supporti metallici. Il profilo di concentrazione dell'acido formico modifica anche il meccanismo di erosione-corrosione. Al di sotto del 20% di acido formico, la soluzione è meno riducente e la stabilità del film passivo aumenta, consentendo rapporti D/t maggiori. Al di sopra dell'80% di acido formico a 100 gradi, i tassi di corrosione uniforme aumentano indipendentemente dall'agitazione e il rapporto D/t deve essere abbassato per fornire un margine di spessore della parete per l'assottigliamento generale piuttosto che per il controllo delle vibrazioni. La riserva di materiale per una lunga durata è il valore assoluto dello spessore della parete (non solo il rapporto). Un tubo con parete da 2,0 mm (diametro 40 mm) con D/t=20 ha una tolleranza all'erosione molto più elevata rispetto a un tubo con parete da 1,5 mm (diametro 22,5 mm) con D/t=15.

Una specifica informata

Quando si seleziona un riscaldatore al titanio per combinazioni acido formico/acqua in condizioni agitate, definire l'agitazione in termini di velocità della punta dell'agitatore (m/s) e deflettore del serbatoio per determinare l'intensità dell'agitazione. A velocità massime inferiori a 1,5 m/sec, i tipici modelli di riscaldatori D/t 15-20 possono essere adatti con i supporti adeguatamente distanziati. Per velocità massime superiori a 2,5 m/s, indicare un rapporto D/t non superiore a 12. Chiedere al fornitore di calcolare la frequenza naturale per la geometria del tubo suggerita e la spaziatura del supporto. Segna vibrazione, qualsiasi variazione di ampiezza a determinate frequenze durante il funzionamento può indicare l'allentamento dei supporti o cambiamenti nella concentrazione di acido formico, che influiscono sulla densità del fluido. La scelta del rapporto diametro-parete-come parametro di progettazione offre all'ingegnere il controllo diretto sul tasso di erosione-corrosione in una delle applicazioni di riscaldamento meccanicamente più impegnative per le apparecchiature in titanio.