Dlaczego w grzejniku PFA zainstalowanym poziomo we wrzącym zbiorniku kwasu azotowego w ciągu 6 miesięcy pojawiają się pęknięcia na górnej powierzchni?

W przypadku poziomo zainstalowanego grzejnika PFA w zbiorniku z wrzącym kwasem azotowym (np. 20–30% HNO₃ w temperaturze 105–110 stopni) regularnie w ciągu 3–6 miesięcy powstają obwodowe pęknięcia na górnej powierzchni, podczas gdy grzejnik zamontowany pionowo w tym samym trybie może wytrzymać 2-3 lata. Przyspieszone niszczenie oksydacyjne, miejscowe ocieplenie i osłona parowa przyczyniają się do awarii. Ciągła warstwa pary, która izoluje PFA, powstaje, gdy wrzące pęcherzyki unoszą się i gromadzą wzdłuż górnej części poziomej rurki. Podczas gdy dno jest nadal chłodzone cieczą, temperatura górnej powierzchni wzrasta z typowych 115–120 stopni do 180–250 stopni. PFA ulega silnemu utlenieniu przez intensywne opary kwasu azotowego uwięzione za kocem. Skutkiem tego jest szybka kruchość, pękanie i ostatecznie perforacja. W przypadku wrzących kwasów orientacja pozioma jest w zasadzie nieodpowiednia; Zdecydowanie zaleca się montaż pionowy.

Mechanizm osłony parowej grzejników poziomych
Podczas wrzenia zarodkowego na całej powierzchni grzejnika pojawiają się pęcherzyki pary. Pęcherzyki szybko oddzielają się i unoszą na pionowym grzejniku, omiatając powierzchnię i zachowując kontakt z cieczą. Pęcherzyki utworzone w dolnej połowie poziomego grzejnika unoszą się i uderzają w górną połowę, gdzie łączą się, tworząc ciągłą lub półciągłą-warstwę pary. Pod płaszczem parowym współczynnik przenikania ciepła spada z 5 000–10 000 W/m²·K (wrzenie cieczy) do 100–300 W/m²·K (film parowy). Temperatura powierzchni pod płaszczem parowym wzrasta do T_surface=T_fluid + q/h=110 + 30 000/200=260 stopnia przy stałym strumieniu ciepła 3 W/cm² (30 000 W/m²). Jest to temperatura powyżej bezpiecznej temperatury ciągłego użytkowania PFA wynoszącej 200 stopni i zbliżająca się do temperatury topnienia 305 stopni. Pod wpływem stresu termicznego PFA mięknie, szybko utlenia się w parach kwasu azotowego i pęka.

Przerywana wilgoć powoduje również cykliczne napięcie na górnej powierzchni. Temperatura zmienia się co kilka sekund w zakresie od 110 do 260 stopni, gdy warstwa pary gromadzi się i zapada. Pęknięcia obwodowe powstają w wyniku szoku termicznego w tysiącach cykli (od dni do tygodni).

Porównanie wydajności poziomej i pionowej podczas wrzenia 25% HNO₃ w temperaturze 108 stopni
Orientacja Początek pękania (miesiące) Temperatura górnej powierzchni (stopnie) Temperatura dolnej powierzchni (stopnie) Dominujący tryb uszkodzenia Trwałość względna Pozioma (średnica zewnętrzna 25 mm) 210–260 115–125 3–6 Pęknięcia obwodowe na górze 1,0× Poziome z wymuszonym obiegiem (0,5 m/s) 160–190 130–140 8–12 Ogólna degradacja 2,0× pionowe (ten sam grzejnik) 115–125 115–125 24–366–8 lat równomiernego starzenia
Pozioma z osłoną paroszczelną (perforowana metalowa osłona na górze) 130–150 120–130 18–24 Korozja na krawędziach osłony 4–5× Pozioma, obniżona do 1,5 W/cm² 150–180 110–120 12–18 Wciąż pękające 3× Dlaczego kwas azotowy przyspiesza uszkodzenia
Jednym z silnych utleniaczy jest kwas azotowy. Utleniając końce łańcuchów i tworząc grupy fluorku karbonylu, pary HNO₃ szybko rozkładają PFA w temperaturze 200 stopni. Na powierzchni powstają mikropęknięcia i staje się krucha (twardość wzrasta z 66 do 78 Shore D). Z drugiej strony nieutleniające kwasy i czysta woda rozkładają się wolniej. Po połączeniu kwasu azotowego i osłony parowej powstaje samonapędzający się cykl awarii: warstwa pary podnosi temperaturę, co przyspiesza utlenianie, co zwiększa chropowatość powierzchni, co sprzyja przyleganiu pęcherzyków, co wzmacnia warstwę pary.

Przykład w terenie
W zbiorniku o pojemności 2000 l wrzącego 25% HNO₃ (108 stopni) zakład chemiczny umieścił poziomo grzejnik PFA o mocy 6 kW. Cztery miesiące później zwarcie doziemne spowodowało awarię grzejnika. Podczas oględzin stwierdzono na górnej powierzchni obwodową szczelinę o średnicy 5 cm ze znaczną kruchością i zażółceniem. Grzejnik pionowy w tym samym zbiorniku, w tej samej fabryce, działał bezawaryjnie przez trzydzieści miesięcy. Po wymianie grzejnika poziomego na instalację pionową obiekt nie miał już żadnych wcześniejszych awarii. W przypadku wszelkich zastosowań związanych z wrzącym kwasem montaż poziomy jest obecnie zabroniony.

Redukcja niezbędnych instalacji poziomych
Trzy stopnie zmniejszają niebezpieczeństwo pękania górnej powierzchni, jeśli nie można uniknąć orientacji poziomej (płytkie zbiorniki, ograniczenia przestrzenne):

Zainstaluj osłonę parową: Aby uniknąć ciągłego płaszcza parowego i zakłócania koalescencji pęcherzyków, włóż perforowaną płytę ze stali nierdzewnej z otworami o średnicy 5 mm i 40% otwartą przestrzenią 10–20 mm nad grzejnikiem. Osłona działa w porównywalnej temperaturze, ale ponieważ jest metaliczna, nie może się utleniać.

Niższa gęstość watów: Nawet przy częściowym pokryciu parą temperaturę górnej powierzchni należy utrzymywać poniżej 150 stopni, pracując przy natężeniu mniejszym lub równym 1,5 W/cm².

Należy zastosować wymuszoną cyrkulację: Zanim pęcherzyki zjednoczą się, są usuwane z górnej powierzchni za pomocą mieszadła lub pompy recyrkulacyjnej poruszającej się z prędkością większą niż 0,3 m/s.

Cotygodniowy obrót grzejnika o 180 stopni rozkłada obciążenie termiczne, ale po prostu opóźnia awarię.

Podsumowując, szybkie pękanie górnej powierzchni jest spowodowane poziomym osadzaniem we wrzącym kwasie azotowym.
W ciągu trzech do sześciu miesięcy warstwa pary powoduje pojawienie się obwodowych pęknięć na górnej powierzchni grzejnika PFA umieszczonego poziomo w zbiorniku z wrzącym kwasem azotowym. Gdy na górze gromadzą się pęcherzyki, tworzy się izolacyjna warstwa pary, podnosząc temperaturę PFA powyżej 200 stopni i przyspieszając pękanie w wyniku szoku termicznego i degradację oksydacyjną. Dzięki usunięciu osłony parowej ustawienie pionowe zwiększa żywotność grzejnika do dwóch do trzech lat. W przypadku wrzących kwasów należy unikać montażu poziomego. Użyj wymuszonego obiegu, zmniejsz gęstość watów lub zainstaluj osłony parowe, jeśli nie możesz temu zapobiec. Górna powierzchnia poziomego grzejnika we wrzącym kwasie to przepis na katastrofę. Należy go często wymieniać lub montować pionowo.