چرا یک بخاری PFA که در جهت افقی در مخزن اسید نیتریک در حال جوش نصب شده است، در عرض 6 ماه در سطح بالایی ترک ایجاد می کند؟

یک بخاری PFA که به صورت افقی در مخزن اسید نیتریک در حال جوش نصب شده است (به عنوان مثال، 20-30% HNO3 در 105-110 درجه) به طور منظم در عرض 3 تا 6 ماه ترک های محیطی در سطح بالایی ایجاد می کند، در حالی که یک بخاری نصب شده به صورت عمودی در همان سرویس ممکن است 2-3 سال دوام بیاورد. تسریع زوال اکسیداتیو، گرم شدن موضعی، و پوشش بخار همگی در شکست نقش دارند. یک لایه بخار پیوسته که PFA را عایق می کند، با بالا آمدن حباب های جوش و جمع شدن در امتداد بالای لوله افقی ایجاد می شود. در حالی که پایین هنوز توسط مایع خنک می شود، دمای سطح بالایی از 115-120 درجه معمولی به 180-250 درجه افزایش می یابد. PFA به شدت توسط بخار اسید نیتریک شدید که در پشت پتو محصور شده است اکسید می شود. شکنندگی سریع، ترک خوردگی و در نهایت سوراخ شدن پیامدها هستند. برای اسیدهای در حال جوش، جهت افقی اساساً نامناسب است. نصب عمودی بسیار توصیه می شود.

مکانیزم پوشش بخار بخاری های افقی
حباب های بخار در سراسر سطح بخاری در هنگام جوشاندن هسته ظاهر می شوند. حباب ها به سرعت جدا می شوند و روی یک بخاری عمودی بالا می روند و سطح را جارو می کنند و تماس مایع را حفظ می کنند. حباب‌های ایجاد شده در نیمه پایینی یک بخاری افقی بالا می‌روند و به نیمه بالایی ضربه می‌زنند، جایی که ترکیب می‌شوند و یک لایه بخار پیوسته یا نیمه{2}}مستمر تشکیل می‌دهند. در زیر پوشش بخار، ضریب انتقال حرارت از 5000-10000 W/m²·K (جوش مایع) به 100-300 W/m²·K (فیلم بخار) کاهش می‌یابد. دمای سطح زیر پوشش بخار برای شار حرارتی ثابت 3 وات بر سانتی‌متر مربع (30000 وات بر متر مربع) به سطح T_surface=T_fluid + q/h=110 + 30,000/200=260 درجه افزایش می‌یابد. این بالاتر از دمای استفاده مداوم ایمن PFA 200 درجه است و به نقطه ذوب آن 305 درجه نزدیک می شود. تحت تنش حرارتی، PFA نرم می شود، به سرعت در بخار اسید نیتریک اکسید می شود و شکافته می شود.

رطوبت متناوب باعث ایجاد تنش چرخه ای در سطح بالایی نیز می شود. هنگامی که پتوی بخار ساخته می شود و فرو می ریزد، دما هر چند ثانیه بین 110 درجه تا 260 درجه در نوسان است. ترک های محیطی توسط این شوک حرارتی در هزاران چرخه (روز تا هفته) ایجاد می شود.

مقایسه عملکرد افقی و عمودی در جوش 25% HNO3 در 108 درجه
شروع ترک جهت جهت (ماه) دمای سطح بالایی (درجه) دمای سطح پایین (درجه) حالت شکست غالب عمر نسبی افقی (25 میلی‌متر OD) 210–260 115–125 3–6 ترک محیطی در بالای 1.0× × افقی برای 160–190 130–140 8–12 تخریب عمومی 2.0× عمودی (همان بخاری) 115–125 115–125 24–۳۶۶–۸ سال پیری یکنواخت
افقی با محافظ بخار (روکش فلزی سوراخ شده در بالا) 130–150 120–130 18–24 خوردگی در لبه‌های محافظ 4–5× افقی، کاهش‌یافته به 1.5 وات بر سانتی‌متر مربع 150–180 110–120 12–18 هنوز ترک می‌خورد 3× چرا نیتریک اسید
یکی از عوامل اکسید کننده قوی اسید نیتریک است. با اکسید کردن انتهای زنجیره و تشکیل گروه‌های کربونیل فلوراید، بخار HNO3 به سرعت PFA را در 200 درجه تجزیه می‌کند. سطح ریزترک ایجاد می کند و شکننده می شود (سختی از 66 به 78 Shore D افزایش می یابد). از طرف دیگر، اسیدهای غیر اکسید کننده یا آب خالص کندتر تجزیه می شوند. هنگامی که اسید نیتریک و پوشش بخار ترکیب می شوند، یک چرخه شکست خود{8}}تسریع کننده ایجاد می شود: پوشش بخار دما را افزایش می دهد، که اکسیداسیون را سرعت می بخشد، که زبری سطح را افزایش می دهد، که چسبندگی حباب را تشویق می کند، که پوشش بخار را افزایش می دهد.

مثال در زمینه
در یک مخزن 2000 لیتری در حال جوش 25% HNO3 (108 درجه)، یک کارخانه شیمیایی یک بخاری PFA 6 کیلوواتی را به صورت افقی قرار می دهد. چهار ماه بعد، یک خطای زمین باعث شد بخاری خاموش شود. پس از بررسی، یک شکاف محیطی 5 سانتی متری با شکنندگی و زردی قابل توجهی در سطح بالایی مشاهده شد. بخاری عمودی در همان مخزن در همان کارخانه سی ماه بدون نقص کار کرده بود. این تاسیسات پس از جایگزینی بخاری افقی با نصب عمودی هیچ خرابی اولیه دیگری نداشت. برای هر سرویس اسید جوش، نصب افقی در حال حاضر ممنوع است.

کاهش نصب های افقی ضروری
اگر نتوان از جهت گیری افقی اجتناب کرد (مخازن کم عمق، محدودیت فضا) خطر ترک خوردگی سطح بالایی را سه مرحله کاهش می دهد:

یک محافظ بخار نصب کنید: برای جلوگیری از پتوی بخار مداوم و ایجاد اختلال در ادغام حباب، یک صفحه فولادی ضد زنگ سوراخ دار با سوراخ های 5 میلی متری و 40٪ منطقه باز را 10 تا 20 میلی متر بالای بخاری قرار دهید. سپر در دمای قابل مقایسه ای عمل می کند، اما چون فلزی است، نمی تواند اکسید شود.

چگالی وات کمتر: حتی با پوشش جزئی بخار، دمای سطح بالایی را زیر 150 درجه با کارکردن در کمتر یا مساوی 1.5 W/cm² حفظ کنید.

گردش اجباری را بگنجانید: قبل از اینکه حباب ها به هم ادغام شوند، توسط یک همزن یا پمپ چرخشی که با سرعت بیش از 0.3 متر بر ثانیه حرکت می کند، از سطح بالایی دور می شوند.

چرخش هفتگی 180 درجه بخاری بار حرارتی را توزیع می کند اما به سادگی خرابی را به تعویق می اندازد.

در نتیجه، ترک‌خوردگی سریع سطح بالایی به دلیل نصب افقی در اسید نیتریک در حال جوش ایجاد می‌شود.
ظرف سه تا شش ماه، پوشش بخار باعث می شود که شکاف های محیطی در سطح بالایی بخاری PFA که به صورت افقی در یک مخزن اسید نیتریک در حال جوش قرار گرفته است ظاهر شود. با تجمع حباب ها در بالا، یک لایه بخار عایق ایجاد می شود که دمای PFA را به بالای 200 درجه افزایش می دهد و باعث تسریع ترک خوردن شوک حرارتی و تخریب اکسیداتیو می شود. با برداشتن پتوی بخار، جهت عمودی طول عمر بخاری را به دو تا سه سال افزایش می دهد. هنگام برخورد با اسیدهای در حال جوش باید از نصب افقی اجتناب شود. اگر نمی توانید از آن جلوگیری کنید، از گردش اجباری، چگالی وات کمتر یا سپر بخار نصب کنید. سطح بالایی بخاری افقی در اسید در حال جوش دستوری برای فاجعه است. آن را مرتباً تعویض کنید یا به صورت عمودی نصب کنید.