Qual é o fluxo de calor máximo permitido para um aquecedor de bainha de titânio grau 7 submerso em ácido sulfúrico a 15% a 90 graus para evitar corrosão induzida por ebulição localizada-?

As altas temperaturas na operação com ácido sulfúrico são um ambiente difícil para equipamentos de aquecimento de titânio. O titânio grau 7 (Ti-0,15Pd) tem boa resistência à corrosão em 15% de H2SO4 a 90 graus C sob circunstâncias normais de imersão, mas a química local é bastante alterada pela presença de uma superfície quente. Na superfície da bainha de titânio, a ebulição local da solução de ácido sulfúrico é realizada na interface metal-líquido quando o fluxo de calor atinge um valor crítico. A ebulição leva à concentração do ácido próximo à superfície aquecida e aumenta a temperatura local acima do volume 90 graus, podendo alterar o comportamento da corrosão de passiva para ativa. O resultado é um ataque acelerado visto como um anel de corrosão na interface vapor{17}}líquido ou como corrosão imediatamente abaixo das bolhas de vapor aderentes. Este artigo determina o fluxo de calor máximo permitido para aquecedores de bainha de titânio Grau 7 em ácido sulfúrico a 15% a 90 graus para evitar este mecanismo de corrosão induzido por ebulição.

Processo de corrosão causado por fervura
O ácido sulfúrico é uma solução não{0}}azeotrópica cujo ponto de ebulição depende de sua concentração. Para 15% de H2SO4 à pressão atmosférica, o ponto de ebulição bruto é de cerca de 103 graus. Bolhas de vapor são nucleadas em imperfeições superficiais quando a temperatura da superfície da bainha do aquecedor excede a temperatura de ebulição local. A formação da bolha faz com que o filme líquido entre ela e a superfície quente evapore, concentrando o ácido sulfúrico naquela fina camada. A concentração pode aumentar de 15% para 30-50% em milissegundos a partir da nucleação da bolha e a temperatura local na superfície do metal sob a bolha atinge a temperatura de superaquecimento da parede, geralmente 5-20°C acima do ponto de ebulição bruto.

In sulfuric acid, the passive-active transition of Grade 7 titanium is observed at a critical combination of concentration and temperature. Grade 7 is passive in 15% acid at 90 C with corrosion rate of less than 0.05 mm per year. In 30% acid at 100°C the corrosion rate increases to 0.5-1.0 mm/year. In 40% acid at 110°C, the rate is >5 mm/ano. A camada de concentração induzida por ebulição cria localmente as condições agressivas com precisão, resultando em uma rápida perda de metal nos locais de nucleação das bolhas.

Determinação do limite de fluxo de calor
O fluxo de calor crítico (CHF) para a ebulição nucleada de ácido sulfúrico a 15% a 90 graus é a condição em que a formação de bolhas de vapor é vigorosa o suficiente para sustentar uma camada de ácido concentrado. Sob CHF, as bolhas aparecem periodicamente e desaparecem rapidamente, permitindo que o revestimento concentrado seja incorporado à massa antes do início da corrosão grave. Acima do CHF, a densidade da bolha aumenta, ocorre a coalescência e um filme contínuo de vapor pode se formar (transição para a ebulição do filme). Esses efeitos aceleram a concentração e a corrosão.

Estudos experimentais com uma sonda de teste de titânio Grau 7 imersa em 15% de H2SO4 a 90 graus revelam um aumento repentino da taxa de corrosão em fluxos de calor superiores a 35 kW/m2. A taxa de corrosão a 25 kW/m2 é inferior a 0,05 mm/ano. Com 35 kW/m2 a taxa sobe para 0,10 mm/ano, ainda aceitável para a maioria das aplicações. A 45 kW/m2 a taxa sobe para 0,35 mm/ano. A taxa excede 0,8 mm por ano a 55 kW/m² e a corrosão visível do anel ocorre na interface vapor-líquido. O ataque local rápido perfura uma parede de 1,65 mm em 1000 horas a 65 kW/m{sup 2}.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 anos) a operação é de 40 kW/m². Para aplicações com vida útil de 2 a 3 anos, são permitidos 50 kW/m2. Se o valor for superior a 60 kW/m², o titânio grau 7 não é adequado, independentemente da espessura da parede.

Fatores atenuantes e matriz de aplicação
Condição operacional e configuração do aquecedor Fluxo de calor máximo permitido (kW/m2) Mecanismo de corrosão previsto Espessura de parede recomendada
Orientação vertical, totalmente submerso, boa convecção natural 40 kW/m² (contínuo) Corrosão passiva uniforme<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Totalmente imerso, alinhamento horizontal, boa convecção 35 kW/m² Baixa concentração de ebulição na superfície superior 1,65 mm
Parcialmente submerso (interface vapor-líquido presente) 25 kW/m2 Corrosão do anel meniscal 2,0 mm ou evitar submersão parcial
Tanque agitado (aspersão mecânica ou de ar) 50 kW/m² Bolhas quebradas por agitação, diminui a concentração 1,2-1,5 mm
Baixa circulação, tanque estagnado 30 kW/m2 Longevidade da bolha aumenta o ataque em 1,65 mm
Qualquer serviço com incrustações/incrustações na superfície 25 kW/m2 A incrustação aumenta a temperatura da superfície local 2,0 mm Recomendações práticas de projeto
O fluxo de calor máximo permitido para serviço contínuo sem corrosão por ebulição para um aquecedor de revestimento de titânio Grau 7 imerso em ácido sulfúrico a 15% a 90 graus é de 40 kW/m^2. Este fluxo de calor leva a uma temperatura de superfície de cerca de 8 a 10 graus acima da temperatura do líquido a granel, mantendo a superfície do metal abaixo de 100 graus e limitando o poder de acionamento para a nucleação de bolhas de vapor. Os engenheiros deveriam aumentar a área de superfície aquecida em vez da densidade de watts para obter uma taxa de aquecimento desejável dentro desta restrição. A mesma potência total pode ser fornecida com um fluxo de calor mais baixo usando um aquecedor mais longo ou muitos tubos de diâmetro menor em conjunto. Solicite o fluxo de calor da bainha calculado (potência total dividida pela área de superfície da bainha submersa) ao encomendar o aquecedor e certifique-se de que não seja superior a 40 kW/m2. Em sistemas com má circulação ou onde a submersão parcial é inevitável, reduza o fluxo permitido para 25-30 kW/m2 ou escolha um método de aquecimento alternativo, como aspersão de vapor.