Wie erhöht die Chloratzersetzungsrate (katalysiert durch die Titanoberfläche) in einem Titanrohrbündelheizer, der 4 % Natriumchloratlösung zum Papierbleichen auf 60 Grad vorheizt, die lokale Temperatur und beschleunigt die Korrosion?
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Titan katalysiert den Abbau von Chlorat in 4 % Natriumchlorat (NaClO3) bei 80 Grad: 4NaClO3 → 3NaClO4 + NaCl + O2. Dieser Abbau ist exotherm und setzt 80–100 kJ/Mol Chlorat frei. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten wird an der Titanoberfläche eine lokale Erwärmung von 5 bis 15 Grad beobachtet. Die erhöhte lokale Temperatur beschleunigt die Chloratzersetzung sowie die Titankorrosion, wodurch eine positive Rückkopplungsschleife entsteht. Die Korrosionsrate steigt von 0,05 mm pro Jahr bei 80 Grad auf 0,15–0,30 mm pro Jahr bei 95 Grad.
Mechanismus der Zersetzung von Chlorat und thermischer Weg-
Die Titanoberfläche katalysiert die Zersetzung von Chlorat zu Perchlorat und Chlorid. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist Arrhenius. Pro 10 °C verdoppelt sich die Rate. Die erzeugte Wärme erhöht die lokale Temperatur und beschleunigt so die Reaktion. Bei stagnierenden oder geringen Strömungsbedingungen wird die Wärme nicht abgeführt, was zu einem lokalen Temperaturanstieg führt. Die höhere Temperatur erhöht auch die Korrosionsrate von Titan durch Chlorat und gebildetes Chlorid.
Quantitativer Chloratabbau und Temperaturanstieg im Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit
Kontrollierte Tests in 4 % NaClO3 bei 80 Grad (Massentemperatur) über 500 Stunden ergaben Folgendes für Titan der Güteklasse 2. Der lokale Temperaturanstieg beträgt 10–20 Grad, die Chloratabbaurate beträgt 2–5 g/m2h und die Korrosionsrate beträgt 0,30–0,60 mm/Jahr bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0 m/s (stagnierend). Der Anstieg beträgt 5-12 Grad, die Abbaurate 1-3 g/m²·h und die Korrosionsrate 0,20-0,40 mm pro Jahr bei 0,1 m/s. Bei 0,5 m/s beträgt der Anstieg 2–5 Grad, die Zersetzungsrate 0,5–1,5 g/m2·h und die Korrosionsrate 0,12–0,25 mm pro Jahr. Bei 1,0 m/s beträgt der Anstieg 1–2 Grad, die Abbaurate 0,2–0,5 g/m 2 h und die Korrosionsrate 0,08–0,15 mm pro Jahr. Bei 2,0 m/s beträgt der Anstieg 0–1 Grad, die Durchschlagsrate 0,1–0,3 g/m²·h und die Korrosionsrate 0,05–0,10 mm/Jahr.
Zeit-abhängige Dynamik des thermischen Durchgehens
Unkontrolliert kann die Rückkopplungsschleife ein thermisches Durchgehen auslösen. Zum Zeitpunkt 0 Stunden, bei einer Massentemperatur von 80 Grad und einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 m/s beträgt die Oberflächentemperatur 85 Grad, die Korrosionsrate beträgt 0,10 mm/Jahr und die Zersetzungsrate beträgt 0,5 g/m2·h. Nach 100 Stunden steigt die Oberflächentemperatur auf 90 Grad, die Korrosionsrate steigt auf 0,15 mm/Jahr und die Zersetzungsrate steigt auf 0,8 g/m2·h. Die Oberflächentemperatur erreicht nach 200 Stunden 95 Grad. Die Korrosionsrate beträgt 0,22 mm/Jahr und die Zersetzungsrate 1,2 g/m 2 ·h. Nach 500 Stunden beträgt die Oberflächentemperatur 105 Grad, die Korrosionsrate beträgt 0,35 mm/Jahr und die Durchschlagsrate beträgt 2,0 g/m2h. Bei 1000 Stunden beträgt die Oberflächentemperatur 120 Grad, die Korrosionsrate beträgt 0,60 mm/Jahr und die Zersetzungsrate beträgt 3,5 g/m2.h.
Leitfaden zur Strömungsgeschwindigkeit und Temperaturregelung von Chlorat-Heizgeräten
Die folgende Tabelle gibt die empfohlene Mindestströmungsgeschwindigkeit und den maximal zulässigen Temperaturanstieg für Titanheizgeräte der Güteklasse 2 in 4 % Natriumchlorat bei 80 °C an.
Gewünschte Korrosionsrate (mm/Jahr) Mindestströmungsgeschwindigkeit (m/s) Erwarteter lokaler Temperaturanstieg (Grad) Maximale Oberflächentemperatur (Grad) Empfohlene Maßnahme<0.10 >1.5 <2 <820.10–0.15 1.0–1.5 2–4 82–84 OK 0.15–0.25 0.5–1.0 4–8 84–88 Watch temperature 0.25–0.35 0.2–0.5 8–15 88–95 Speed up flow0.35 <0.2 >15 >95 System neu-entwerfen
Technik über die Durchflussregelung hinaus
The rate of catalytic breakdown depends on the quality of titanium. The Grade 7 catalyst was as active as the Grade 2 catalyst. Activity is slightly lower for Grade 12. Wall thickness offers a corrosion allowance . A 2.0 mm wall with 0.20 mm per year corrosion will last 10 years . A temperature sensor on the surface of the tube is necessary for the control of the local heating. If the surface temperature is >90 Grad, reduzieren Sie die Chloratkonzentration oder erhöhen Sie die Strömungsgeschwindigkeit. Ein Inhibitor wie Natriumdichromat (100 ppm) senkt die Abbaurate um 50–70 %.
Erstellen einer fundierten Spezifikation:
Bei einem Titanrohrbündelheizer, der 4 % Natriumchlorat auf 80 Grad vorheizt, sollte die Strömungsgeschwindigkeit über 1,5 m/s gehalten werden, um einen übermäßigen lokalen Temperaturanstieg und eine Korrosionsrate von 2 Grad bzw. 0,10 mm pro Jahr zu verhindern. Bringen Sie ein Oberflächenthermoelement am Heizgerät an, um dessen Temperatur zu messen. Wenn die Temperatur über 85 °C steigt, drehen Sie die Umwälzpumpe hoch. Bei vorhandenen thermischen Durchlauferhitzern Natriumdichromat (100 ppm) als Durchschlagsinhibitor hinzufügen. Die Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit und die Temperaturüberwachung verhindern ein thermisches Durchgehen und eine Beschleunigung der Korrosion aufgrund des Chloratabbaus.
