Berapa Fluks Panas Maksimum yang Diijinkan untuk Pemanas Selubung Titanium Kelas 7 yang Direndam dalam Asam Sulfat 15% pada suhu 90 derajat untuk Menghindari Pendidihan Lokal-Korosi yang Disebabkan?

Suhu tinggi dalam pengoperasian asam sulfat merupakan lingkungan yang sulit bagi peralatan pemanas titanium. Titanium kelas 7 (Ti-0,15Pd) memiliki ketahanan korosi yang baik dalam 15 % H2SO4 pada 90 derajat C dalam kondisi perendaman biasa, namun sifat kimia lokalnya sangat berubah karena adanya permukaan yang panas. Pada permukaan selubung titanium, titik didih lokal larutan asam sulfat terjadi pada antarmuka cairan logam ketika fluks panas mencapai nilai kritis. Mendidih menyebabkan konsentrasi asam di dekat permukaan yang dipanaskan dan meningkatkan suhu lokal di atas 90 derajat, dan dapat mengubah perilaku korosi dari pasif menjadi aktif. Hasilnya adalah serangan yang dipercepat yang terlihat sebagai cincin korosi pada antarmuka-cair uap atau lubang tepat di bawah gelembung uap yang menempel. Artikel ini menentukan fluks panas maksimum yang diizinkan untuk pemanas selubung titanium Kelas 7 dalam asam sulfat 15% pada 90 derajat untuk menghindari mekanisme korosi yang disebabkan oleh pendidihan ini.

Proses Korosi Akibat Pendidihan
Asam sulfat adalah larutan non-azeotropik yang titik didihnya bergantung pada konsentrasinya. Untuk 15% H₂SO₄ pada tekanan atmosfer, titik didih sebagian besarnya adalah sekitar 103 derajat . Gelembung uap berinti pada ketidaksempurnaan permukaan ketika suhu permukaan selubung pemanas melebihi suhu didih lokal. Pembentukan gelembung menyebabkan lapisan cairan antara gelembung dan permukaan panas menguap, sehingga asam sulfat terkonsentrasi di lapisan tipis tersebut. Konsentrasi dapat meningkat dari 15% menjadi 30-50% dalam milidetik sejak nukleasi gelembung dan suhu lokal pada permukaan logam di bawah gelembung mencapai suhu super panas pada dinding, umumnya 5-20 derajat C di atas titik didih sebagian besar.

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 >5mm/tahun. Lapisan konsentrasi yang diinduksi-mendidih secara lokal menciptakan kondisi agresif secara tepat, sehingga mengakibatkan hilangnya logam dengan cepat di lokasi nukleasi gelembung.

Penentuan Ambang Batas Fluks Panas
Fluks panas kritis (CHF) untuk pendidihan nukleat asam sulfat 15% pada suhu 90 derajat adalah kondisi dimana pembentukan gelembung uap cukup kuat untuk mempertahankan lapisan asam pekat. Di bawah CHF, gelembung muncul secara berkala dan hilang dengan cepat, memungkinkan lapisan terkonsentrasi menyatu ke dalam sebagian besar sebelum korosi serius dimulai. Di atas CHF, kepadatan gelembung meningkat, terjadi penggabungan dan lapisan uap kontinu dapat terbentuk (transisi ke pendidihan film). Efek ini mempercepat konsentrasi dan korosi.

Studi eksperimental dengan probe uji titanium Kelas 7 yang direndam dalam 15% H2SO4 pada suhu 90 derajat menunjukkan peningkatan mendadak laju korosi pada fluks panas melebihi 35 kW/m2. Laju korosi pada 25 kW/m2 kurang dari 0,05 mm/tahun. Pada 35 kW/m2 lajunya naik menjadi 0,10 mm/tahun, masih dapat diterima untuk sebagian besar aplikasi. Pada 45 kW/m2 lajunya naik menjadi 0,35 mm/tahun. Lajunya melebihi 0,8 mm per tahun pada 55 kW/m² dan korosi cincin yang terlihat terjadi pada antarmuka uap{21}}cair. Serangan lokal yang cepat melubangi dinding 1,65 mm dalam 1000 jam pada 65 kW/m{sup 2}.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 tahun) pengoperasiannya adalah 40 kW/m². Untuk aplikasi dengan masa pakai 2-3 tahun, diperbolehkan 50 kW/m2. Jika nilainya di atas 60 kW/m², titanium Kelas 7 tidak sesuai, berapa pun ketebalan dindingnya.

Faktor Mitigasi dan Matriks Penerapan
Kondisi pengoperasian & pengaturan pemanas Fluks Panas Maksimum yang Diijinkan (kW/m2) Mekanisme Korosi yang Diantisipasi Ketebalan Dinding yang Direkomendasikan
Orientasi vertikal, terendam seluruhnya, konveksi alami yang baik 40 kW/m² (kontinu) Korosi pasif seragam<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Terendam seluruhnya, sejajar horizontal, konveksi baik 35 kW/m² Konsentrasi titik didih rendah pada permukaan atas 1,65 mm
Terendam sebagian (ada antarmuka-cair uap) 25 kW/m2 Korosi cincin meniskus 2,0 mm atau mencegah perendaman sebagian
Tangki berpengaduk (mekanis atau mengeluarkan udara) 50 kW/m² Gelembung pecah karena pengadukan, menurunkan konsentrasi 1,2-1,5 mm
Sirkulasi rendah, tangki stagnan 30 kW/m2 Umur panjang gelembung meningkatkan serangan 1,65 mm
Servis apa pun dengan pengotoran/penskalaan permukaan 25 kW/m2 Pengotoran meningkatkan suhu permukaan lokal 2,0 mm Rekomendasi Desain Praktis
Fluks panas maksimum yang diperbolehkan untuk tugas kontinu tanpa korosi mendidih untuk pemanas selubung titanium Kelas 7 yang direndam dalam asam sulfat 15% pada suhu 90 derajat adalah 40 kW/m^2. Fluks panas ini menyebabkan suhu permukaan sekitar 8-10 derajat di atas suhu cairan curah, menjaga permukaan logam di bawah 100 derajat dan membatasi daya penggerak nukleasi gelembung uap. Insinyur harus meningkatkan luas permukaan yang dipanaskan daripada kepadatan watt untuk mendapatkan laju pemanasan yang diinginkan dalam batasan ini. Daya total yang sama dapat disuplai pada fluks panas yang lebih rendah dengan menggunakan pemanas yang lebih panjang atau banyak tabung berdiameter lebih kecil secara bersamaan. Mintalah perhitungan fluks panas selubung (daya total dibagi luas permukaan selubung terendam) saat Anda memesan pemanas, dan pastikan tidak lebih dari 40 kW/m2. Dalam sistem dengan sirkulasi yang buruk atau dimana perendaman sebagian tidak dapat dihindari, turunkan fluks yang diizinkan menjadi 25-30 kW/m2 atau pilih metode pemanasan alternatif seperti steam sparging.