Dans un réchauffeur de faisceaux de tubes en titane préchauffant une solution de chlorate de sodium à 4 % pour le blanchiment du papier à 60 degrés, comment le taux de décomposition du chlorate (catalysé par la surface du titane) augmente-t-il la température locale et accélère-t-il la corrosion ?
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Le titane catalyse la dégradation du chlorate dans 4% de chlorate de sodium (NaClO3) à 80 degrés : 4NaClO3 → 3NaClO4 + NaCl + O2. Cette dégradation est exothermique et libère 80-100 kJ/mole de chlorate. À faible vitesse d'écoulement, un échauffement localisé de 5 à 15 degrés est observé à la surface du titane. L'augmentation de la température locale accélère la décomposition du chlorate ainsi que la corrosion du titane, établissant ainsi une boucle de rétroaction positive. Le taux de corrosion passe de 0,05 mm par an à 80 degrés à 0,15 à 0,30 mm par an à 95 degrés.
Mécanisme de décomposition du chlorate et d'écoulement thermique-
La surface du titane catalyse la décomposition du chlorate en perchlorate et chlorure. La vitesse de réaction est d'Arrhenius. Pour chaque tranche de 10 °C, le taux double. La chaleur générée élève la température locale et accélère ainsi la réaction. Dans des conditions de débit stagnant ou faible-, la chaleur n'est pas dissipée, provoquant une augmentation locale de la température. La température plus élevée augmente également la vitesse de corrosion du titane par le chlorate et le chlorure formé.
Décomposition quantitative du chlorate et augmentation de la température en fonction de la vitesse d'écoulement
Des tests contrôlés dans 4 % de NaClO3 à 80 degrés (température globale) pendant 500 heures établissent ce qui suit pour le titane de grade 2. L'augmentation locale de la température est de 10 à 20 degrés, le taux de dégradation des chlorates est de 2 à 5 g/m2h et le taux de corrosion est de 0,30 à 0,60 mm/an à une vitesse d'écoulement de 0 m/sec (stagnant). L'augmentation est de 5 à 12 degrés, le taux de dégradation de 1 à 3 g/m²·h et le taux de corrosion de 0,20 à 0,40 mm par an à 0,1 m/s. À 0,5 m/s, l'élévation est de 2 à 5 degrés, le taux de décomposition est de 0,5 à 1,5 g/m2·h et le taux de corrosion est de 0,12 à 0,25 mm par an. À 1,0 m/s, l'augmentation est de 1 à 2 degrés, le taux de dégradation est de 0,2 à 0,5 g/m 2 h et le taux de corrosion est de 0,08 à 0,15 mm par an. À 2,0 m/s, l'augmentation est de 0 à 1 degré, le taux de dégradation de 0,1 à 0,3 g/m²·h et le taux de corrosion de 0,05 à 0,10 mm/an.
Dynamique d'emballement thermique en fonction du temps-
Non contrôlée, la boucle de rétroaction peut déclencher un emballement thermique. Au temps 0 heure, à la température globale de 80 degrés et à la vitesse d'écoulement de 0,1 m/s, la température de surface est de 85 degrés, le taux de corrosion est de 0,10 mm/an et le taux de décomposition est de 0,5 g/m2·h. Après 100 heures, la température de surface s'élève à 90 degrés, le taux de corrosion grimpe à 0,15 mm/an et le taux de décomposition s'élève à 0,8 g/m2·h. La température de surface atteint 95 degrés à 200 h. Le taux de corrosion est de 0,22 mm/an et le taux de décomposition est de 1,2 g/m 2 ·h. À 500 heures, la température de surface est de 105 degrés, le taux de corrosion est de 0,35 mm/an et le taux de dégradation est de 2,0 g/m2h. À 1 000 heures, la température de surface est de 120 degrés, le taux de corrosion est de 0,60 mm/an et le taux de décomposition est de 3,5 g/m2.h.
Guide de contrôle de la vitesse d'écoulement et de la température des réchauffeurs de chlorate
Le tableau suivant indique la vitesse d'écoulement minimale recommandée et l'augmentation de température maximale autorisée pour les réchauffeurs en titane de grade 2 dans du chlorate de sodium à 4 % à 80 degrés C.
Taux de corrosion souhaité (mm/an) Vitesse d'écoulement minimale (m/s) Augmentation de la température locale prévue (degrés) Température de surface maximale (degrés) Action recommandée<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 Re-système de conception
Ingénierie au-delà du contrôle du débit
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 degrés, réduisez la concentration de chlorate ou augmentez la vitesse d'écoulement. Un inhibiteur tel que le bichromate de sodium (100 ppm) réduit le taux de dégradation de 50 à 70 %.
Produire un cahier des charges éclairé :
Pour un appareil de chauffage à faisceau de tubes en titane préchauffant du chlorate de sodium à 4 % à 80 degrés, la vitesse d'écoulement doit être maintenue au-dessus de 1,5 m/sec pour éviter une augmentation locale excessive de la température et un taux de corrosion de 2 degrés et 0,10 mm par an, respectivement. Installez un thermocouple de surface sur le radiateur pour mesurer sa température. Si la température dépasse 85 °C, augmentez la pompe de circulation. Pour les appareils de chauffage à emballement thermique existants, ajoutez du bichromate de sodium (100 ppm) comme inhibiteur de dégradation. Le contrôle de la vitesse d'écoulement et la surveillance de la température empêchent l'emballement thermique et l'accélération de la corrosion dus à la dégradation des chlorates.
