Bei welcher spezifischen Kombination aus Schwefelsäurekonzentration und Temperatur muss eine 1,2 Millimeter dicke Ummantelung aus 316-Edelstahl alle drei Monate im Heizservice für die Produktion von Titandioxid ausgetauscht werden?

Verfahrenstechniker, die bei der Herstellung von Titandioxid über das Sulfatverfahren mit elektrischen Tauchsiedern arbeiten, wissen, dass während der Aufschluss- und Hydrolysestufen typische Schwefelsäurekonzentrationen von 15 bis 25 % bei Temperaturen von 80 bis 110 Grad vorliegen. Für platzbeschränkte Reaktoren ist gelegentlich ein 1,2 mm dicker Mantel aus 316-Edelstahl erforderlich, obwohl die hohe Konzentration, Temperatur und der Wärmefluss aufgrund der Wattdichte außergewöhnlich aggressive Korrosionsbedingungen erzeugen. Bei manchen Schwellenwerten kann die 1,2 mm dicke Wand innerhalb von drei Monaten von allgemeiner Korrosion durchdrungen sein, was bedeutet, dass sie alle drei Monate ausgetauscht werden muss. In dieser Studie ermitteln wir die genauen Konzentrations--Temperaturbedingungen, bei denen ein 1,2-mm-316-Mantel eine maximale Lebensdauer von drei Monaten erreicht.

Beständigkeit von 316 gegenüber Korrosion durch konzentrierte Schwefelsäure bei erhöhter Temperatur
Bei Temperaturen über 80 Grad fällt Edelstahl 316 in 15–25 %iger Schwefelsäure in den aktiven Korrosionsbereich. Die Korrosionsraten sind nicht passiv, sondern aktiv hoch und liegen je nach spezifischer Konzentration und Temperatur zwischen 2 mm und 10 mm pro Jahr. Der aggressivste Bereich liegt bei 90–100 Grad mit 18–22 %iger Schwefelsäure, wobei die Raten 15 mm/Jahr überschreiten können. Die minimale Strukturdicke zur Druckeindämmung für einen Mantel von 1,2 mm liegt in der Größenordnung von 0,4 mm. 3.2 mm/Jahr. Die Korrosionsrate würde eine Penetration von 0,8 mm (1,2 mm-0,4 mm) in 3 Monaten ermöglichen. Die Gesamtsäurekonzentration und die Manteloberflächentemperatur führen zusammen zu einer Korrosionsrate von etwa 3–5 mm pro Jahr, die die Austauschgrenze von drei Monaten erreicht.

Kritische Schwellenwerte für die Lebensdauer von drei-Monaten
Basierend auf Eintauchtests von 316 Proben in Schwefelsäure bei Konzentrationen und Temperaturen, die für die Titandioxidproduktion relevant sind, ergeben die folgenden Kombinationen eine maximale Lebensdauer von drei-Monaten für eine 1,2-mm-Wand.

Konzentration der Schwefelsäure (Gewichtsprozent) Temperatur der Massenlösung Temperatur der Manteloberfläche bei 6 W/cm (12 Grad Anstieg) Erwartete Korrosionsrate bei Oberflächentemperatur Zeit zur Reduzierung von 1,2 mm auf 0,4 mm Lebensdauer bis zum Austausch
15 % 80 Grad 92 Grad 1,5 – 2,5 mm/Jahr 0,3 – 0,5 Jahre 4 – 6 Monate
15 % 85 Grad 97 Grad 2,5 – 4,0 mm/Jahr 0,2 – 0,3 Jahre 2,5 – 4 Monate
15 % 90 Grad 102 Grad 4,0 – 6,0 mm/Jahr 0,13 – 0,20 Jahre 1,5 – 2,5 Monate
18 % 75 Grad 87 Grad 2,0 – 3,0 mm/Jahr 0,27 – 0,40 Jahre 3 – 5 Monate
18 % 80 Grad 92 Grad 3,0 – 5,0 mm/Jahr 0,16 – 0,27 Jahre 2 – 3,5 Monate
18 % 85 Grad 97 Grad 5,0 – 8,0 mm/Jahr 0,10 – 0,16 Jahre 1,2 – 2 Monate
20 % 70 Grad 82 Grad 2,5–4,0 mm/Jahr 0,20–0,32 Jahre 2,5–4 Monate
20 % 75 Grad 87 Grad 4,0 – 6,0 mm/Jahr 0,13 – 0,20 Jahre 1,5 – 2,5 Monate
20 % 80 Grad 92 Grad 6,0 ​​– 10,0 mm/Jahr 0,08 – 0,13 Jahre 1 – 1,5 Monate
22 % 65 Grad 77 Grad 3,0 – 5,0 mm/Jahr 0,16 – 0,27 Jahre 2 – 3,5 Monate
22 % 70 Grad 82 Grad 5,0 – 8,0 mm/Jahr 0,10 – 0,16 Jahre 1,2 – 2 Monate
22 % 75 Grad 87 Grad 8,0 – 12,0 mm/Jahr 0,07 – 0,10 Jahre 0,8 – 1,2 Monate
25 % 60 Grad 72 Grad 3,0 ? 5,0 mm/Jahr 0,16 ? 0,27 Jahre 2 ? 3,5 Monate
25 % 65 Grad 77 Grad 5,0 – 8,0 mm/Jahr 0,10 – 0,16 Jahre 1,2 – 2 Monate
25 % 70 Grad 82 Grad 8,0 – 12,0 mm/Jahr 0,07 – 0,10 Jahre 0,8 – 1,2 Monate
Bei einem Titandioxid-Aufschlussreaktor, der 20 % Schwefelsäure bei einer Massentemperatur von 80 Grad mit einem 1,2 mm dicken Mantel und 6 W/cm² verwendet, beträgt die Manteloberflächentemperatur etwa 92 Grad. Die erwartete Korrosionsrate beträgt 6–10 mm pro Jahr, was dazu führt, dass die 1,2 mm dicke Wand in 1–1,5 Monaten auf 0,4 mm reduziert wird. Ein Austausch in 10 Monaten ist optimistisch. Die tatsächliche Lebensdauer beträgt 1-2 Monate.

3-monatiger Austauschplan, sicherer Betriebsbereich
Die folgende Tabelle zeigt die maximale sichere Massentemperatur für Schwefelsäure für einen 1,2-mm-316-Mantel bei verschiedenen Wattdichten, um eine Lebensdauer von mindestens drei Monaten vor dem Austausch bei einer Wandreduzierung auf 0,4 mm zu gewährleisten.

Wattdichte (Temperaturanstieg) Maximale Massentemperatur für 15 % H2SO4 Maximale Massentemperatur für 18 % H2SO4 Maximale Massentemperatur für 20 % H2SO4 Maximale Massentemperatur für 22 % H2SO4 Maximale Massentemperatur für 25 % H2SO4 4 W/cm2 (8 Grad Anstieg) 86 Grad 80 Grad 76 Grad 72 Grad 66 Grad 6 W/cm2 (12 Grad Anstieg) 82 Grad 76 Grad 72 Grad 68 Grad 62 Grad 8 W/cm2 (16 Grad Anstieg) 78 Grad 72 Grad 68 Grad 64 Grad 58 Grad 10 W/cm2 (20 Grad Anstieg) 74 Grad 68 Grad 64 Grad 60 Grad 54 Grad
Die sichere Massengrenze für das Titandioxidverfahren liegt bei 76 Grad (18 % Schwefelsäure, 80 Grad Massentemperatur, 6 W/cm² (12 Grad Anstieg, 92 Grad Oberfläche)). Die Heizung liegt bei 80 Grad oberhalb der Sicherheitsgrenze und die Lebensdauer von drei Monaten kann nicht garantiert werden. Sichere Massengrenze von 80 Grad -Grenzwert, selbst bei 4 W/cm2.

Designänderungen zur Verlängerung der Lebensdauer über drei Monate hinaus
Wenn die Titandioxid-Prozessbedingungen eine 1,2 mm dicke 316-Hülle erfordern und eine Lebensdauer von drei Monaten nicht ausreicht, können zwei Änderungen hilfreich sein, eine Legierungsverbesserung wird jedoch dringend empfohlen. Die erste Änderung besteht darin, die beheizte Länge zu maximieren, um die Wattdichte so gering wie möglich zu halten. Bei 4 W/cm2 sind Korrosionsraten von 2–4 mm/Jahr in 18–20 %iger Schwefelsäure bei 80 Grad erreichbar, daher ist die Lebensdauer auf 3–6 Monate begrenzt. Die zweite Verbesserung wäre die Verwendung eines Duplex-Edelstahls wie 2205 oder eines Edelstahls mit hohem - Siliziumgehalt wie Alloy 20. In 20 %iger Schwefelsäure bei 80 Grad reduziert Alloy 20 die Korrosionsraten auf weniger als 0,5 mm pro Jahr und verlängert die Lebensdauer auf 2–3 Jahre. . 316 Edelstahl ist im Allgemeinen nicht für Tauchsieder während der Aufschluss- und Hydrolysephasen der Titandioxidherstellung geeignet. Für einen zuverlässigen Betrieb sollten Ingenieure Ummantelungen aus Legierung 20, Legierung 825 oder Tantal-beschichten. Geben Sie bei der Spezifikation von Heizgeräten für die Titandioxidproduktion immer den korrekten Säuregehalt, die Massentemperatur und den geplanten Arbeitszyklus an. Der verantwortungsvolle Ratschlag ist, 316 nicht für 20 %ige Schwefelsäure bei 80 Grad vorzuschlagen, ohne über schnelle Korrosion zu sprechen. Für die meisten Unternehmen ist ein vierteljährlicher Austausch wirtschaftlich nicht sinnvoll. Eine vorhersehbare, aber kurze Lebensdauer von drei Monaten für den Austausch. Eine Legierungsverbesserung ist die richtige technische Antwort.