Проблема абразивної ерозії при нагріванні добрив
Розчини добрив сечовини-амонійної селітри (КАС) при 90 градусах містять абразиви оксиду заліза (200-500 мг/л) від корозії обладнання з вуглецевої сталі, що стоїть перед ним. Ці тверді частинки (Mohs 6-7) спричиняють ерозійний знос нагрівачів PFA в умовах турбулентного потоку (Re 8000). Розрахунки критичної товщини стінок на 23 заводах з виробництва добрив показують, що абразиви на основі оксиду заліза збільшують необхідну товщину PFA на 50-100% порівняно з використанням без абразивів, причому стінки товщиною 2,0 мм витримують лише 5000 годин, а стінки товщиною 3,0 мм – понад 20 000 годин при навантаженні твердих речовин 200 мг/л.
Характеристики абразиву оксиду заліза
Частинки оксиду заліза в розчинах UAN (головним чином Fe₂O₃ і Fe3O₄) мають середній діаметр 20-50 мкм, високу твердість (6-7 за Моосом) і неправильну кутову морфологію. Їх питома вага 5,2 г/см³ створює високий імпульс під час зіткнення зі стінкою часток. При Re 8000 (2,5 м/с, діаметр труби 50 мм) енергія удару частинок для 30 мкм оксиду заліза становить приблизно 0,15 мкДж порівняно з 0,02 мкДж для кремнезему еквівалентного розміру (щільність 2,65). Вища енергія удару забезпечує глибше проникнення та швидше видалення матеріалу. Форма частинок також має значення: кутасті фрагменти оксиду заліза спричиняють різальний знос, тоді як округлі частинки викликають деформаційний знос. Більшість частинок системи UAN є напівкутними внаслідок механічного руйнування окалини магнетиту.
Залежність швидкості ерозії від концентрації частинок і товщини стінки
Випробування на ерозію відповідно до ASTM G73 з використанням розчину UAN з 200 мг/л оксиду заліза при 90 градусах, 2,5 м/с і куті удару 45 градусів показує, що швидкість ерозії змінюється лінійно залежно від концентрації частинок і зі швидкістю в 2,5 ступеня. Для стандартного PFA (Shore D 65), швидкість ерозії та кінцеве проникнення в стіну:
| Товщина стінки PFA (мм) | Швидкість ерозії (мм/1000 год) при 200 мг/л Fe₂O₃ | Час до 50% проникнення в стіну (години) | Час до руйнування діелектрика (залишилося 1,2 мм, години) |
|---|---|---|---|
| 1,5 мм | 0.18 | 4,200 | 1,700 |
| 2,0 мм | 0.18 | 5,600 | 4,400 |
| 2,5 мм | 0.18 | 6,900 | 7,200 |
| 3,0 мм | 0.18 | 8,300 | 10,000 |
Швидкість ерозії приблизно постійна, доки товщина стінки не зменшиться нижче 1,5 мм, у цей момент локальне проникнення прискорюється через концентрацію напруги.
Більш тверді класи PFA для ерозійної служби
Підвищення твердості PFA значно зменшує швидкість ерозії. Наповнений скловолокном PFA (Shore D 72) демонструє швидкість ерозії 0,09 мм/1000 год при 200 мг/л, що вдвічі менше, ніж у стандартного класу. Наповнений вуглецевим волокном PFA (Shore D 75) зменшує швидкість до 0,06 мм/1000 год. Для стінок товщиною 3,0 мм із вуглецевим-наповненим PFA час до 50% проникнення перевищує 25 000 годин. Однак додавання наповнювача знижує хімічну стійкість у деяких середовищах. Для добрива КАС (pH 6-7, 30% сечовини, 40% нітрату амонію), наповнений скло-PFA зберігає хімічну стабільність, оскільки наповнювач інкапсульований полімером. Вкажіть PFA, наповнений склом, для КАС, якщо немає забруднення хлоридами, які можуть пошкодити скловолокно.
Критична товщина стінки при абразивному навантаженні
| Концентрація оксиду заліза (мг/л) | Клас PFA (Шор D) | Мінімальна товщина стінки протягом 3 років служби (24 000 год) | Мінімальна товщина стінки протягом 5 років служби (40 000 h) | Практичний термін служби при 2,5 мм стандартного PFA (годин) |
|---|---|---|---|---|
| < 50 | Стандарт (65) | 1,8 мм | 2,2 мм | 25,000+ |
| 50-100 | Стандарт (65) | 2,2 мм | 2,8 мм | 18,000 |
| 100-200 | Скло-наповнене (72) | 2,0 мм | 2,5 мм | 12,000 |
| 200-300 | Скло-наповнене (72) | 2,5 мм | 3,0 мм | 8,000 |
| 300-500 | Карбоновий-наповнений (75) | 2,2 мм | 2,8 мм | 5,000 |
Ефекти швидкості потоку та геометрії
Re 8000 (2,5 м/с у типовій трубі діаметром 50 мм) означає помірну турбулентність. Вищі швидкості різко посилюють ерозію. При 3,5 м/с (Re 11 000) швидкість ерозії подвоюється для всіх марок PFA. При 1,8 м/с (Re 5500) швидкість ерозії зменшується на 60%. Для систем UAN зі змінним потоком проектуйте нагрівачі для найменшої практичної швидкості, яка підтримує суспензію частинок (зазвичай 1,5-2,0 м/с для частинок 30 мкм). Геометрія нагрівача також впливає на ерозію: пучки труб із розміщенням у шаховому порядку спричиняють вищі локальні швидкості та кути зіткнення частинок порівняно з-розташуваннями в лінії. Обчислювальне моделювання рідинної динаміки конкретної геометрії нагрівача може визначити зони високого зносу, які вимагають більш товстих стінок або графіків заміни.
Допуск на ерозію та інтервали перевірок
Для обігрівачів PFA, які використовують ерозійний UAN, вкажіть початкову товщину стінки на основі допуску на ерозію (початковий мінус мінімум), поділеного на швидкість ерозії. Мінімальна товщина стінки діелектрика становить 1,2 мм для роботи 230 В. Для PFA зі скло- наповнювачем 200 мг/л зі швидкістю ерозії 0,09 мм/1000 год початкова стінка товщиною 3,0 мм забезпечує допуск на ерозію 1,8 мм, тобто 20 000 годин (2,5 роки) до досягнення мінімуму. Щорічне вимірювання товщини стінки за допомогою ультразвукового вимірювання дозволяє передбачити заміну. Для стандартного PFA зі швидкістю 0,18 мм/1000 год щорічний ультразвуковий огляд є обов’язковим, оскільки втрата стінки становить 1,6 мм за 2 роки. Об’єкти з офлайн-циклами очищення (щорічна зупинка) повинні вказати товщину стіни, яка забезпечує 2-кратну допуск на ерозію для запланованого інтервалу.
Специфікаційні вказівки для нагрівачів добрив КАС
Для нагрітих розчинів добрив КАС із вмістом абразивів на основі оксиду заліза, що перевищує 100 мг/л, вкажіть PFA, наповнений скловолокном- (мінімум за Шором D 72) з товщиною стінки, розрахованою як (мін. 1,5 мм + допуск на ерозію). Для 200 мг/л і 3-років безперервної роботи вкажіть початкову товщину 2,8 мм із щорічною перевіркою товщини стінки. Потрібна сертифікація постачальника щодо стійкості до стирання відповідно до стандарту ASTM G75 із використанням стандартного абразиву (Al₂O₃) та перетворення на еквівалент оксиду заліза на основі відносної твердості та щільності. Для систем із змінним абразивним навантаженням (наприклад, 50-300 мг/л) встановіть магнітну фільтрацію, щоб зменшити концентрацію оксиду заліза, що дозволить зробити стінки тоншими та збільшити термін служби. Запитуючи пропозиції, вкажіть очікуваний діапазон концентрації оксиду заліза, швидкість потоку, діаметр труби та бажаний інтервал заміни. Постачальники, які мають досвід нагрівання суспензії, можуть провести випробування на ерозію, використовуючи надані замовником зразки КАС для отримання конкретних даних про швидкість зносу для точного розподілу частинок за розміром і хімічного складу. Премія за склонаповнений PFA порівняно зі стандартним (20-30%) виправдана 2-3-кратним довшим терміном служби в ерозійному КАС, де незапланований вихід з ладу нагрівача в пік сезону внесення добрив призводить до виробничих втрат у 10 000-30 000 доларів США на годину. Для нових виробничих потужностей КАС вкажіть покриття труб із вуглецевої сталі або магнітну фільтрацію на вході, щоб зменшити утворення оксиду заліза, а потім використовуйте стандартний PFA зі стінками 2,5 мм для оптимізації витрат.
