Při těžbě abrazivních kalů-, výrobě pigmentů, manipulaci s katalyzátorem- narážejí pevné částice unášené kapalinou na plášť ohřívače PFA a postupně erodují tloušťku stěny. U 1,5 mm PFA pláště (běžného u obecných průmyslových ohřívačů) závisí maximální rychlost částic bez erozivního selhání na tvrdosti částic, velikosti, koncentraci a úhlu dopadu. Pro křemičitý písek (tvrdost Mohs 7, 200 µm střední průměr, 5% hmotnostní koncentrace) je maximální bezpečná rychlost 2,5–3,0 m/s při životnosti 2 roky (za předpokladu 8 000 provozních hodin za rok). Nad 3,5 m/s překračuje eroze 0,5 mm/rok, čímž se během 2 let zmenšuje 1,5 mm stěna pod 1,0 mm, kdy je pravděpodobné pronikání a mechanické selhání. U tvrdších částic (oxid hlinitý, Mohs 9) klesá maximální rychlost na 1,5–2,0 m/s. Pro měkčí částice (vápenec, Mohs 3) jsou přijatelné rychlosti do 5,0 m/s. Rychlost eroze následuje E=k × v^n, kde n=2.5 –3,5 pro PFA.
Výpočet rychlosti eroze a limity rychlosti
Rychlost eroze PFA je popsána vztahem E=C × (v)^3,2 × (d)^0,7 × (H_p/H_t)^1,2, kde E je mm/rok, v je rychlost (m/s), d je průměr částice (mm), H_p je tvrdost částice (Mohs), H_t je cílová tvrdost a {2.5} Mohs ~závislá koncentrace.{9} Mohs ~ ~ Pro křemičitý písek (d=0.2 mm, H_p=7) při 2% hmotnostní koncentraci, C ≈ 0,015. Při v=2.5 m/s, E=0.015 × (2,5)^3.2=0.015 × 22.6=0.34 mm/rok. Více než 2 roky (16 000 hodin), eroze=0.68 mm. Od 1,5 mm, zbývající tloušťka=0.82 mm- na hranici spolehlivého provozu (doporučeno minimálně 0,8–1,0 mm). Při v=3.0 m/s, E=0.015 × (3,0)^3.2=0.015 × 39.8=0.60 mm/rok, 1,20 mm za 2 roky, takže pouze 0,30 mm-nepřijatelné. Maximální bezpečná rychlost pro 2letou životnost s 1,5 mm stěnou je tedy pro tuto sadu částic 2,7 m/s.
Pro oxid hlinitý (H_p=9, d=0.1 mm, 1% koncentrace), C ≈ 0,025. Při v=1.8 m/s, E=0.025 × (1,8)^3.2=0.025 × 10.2=0.255 mm/rok, 0,51 mm za 2 roky, zbývajících 0,99 mm-přijatelné. Při v=2.0 m/s, E=0.025 × (2,0)^3.2=0.025 × 12.1=0.30 mm/rok, 0,60 mm za 2 roky, zbývající 0,90 mm- okraj, ale přijatelný. Při v=2.5 m/s, E=0.025 × 22.6=0.565 mm/rok, 1,13 mm za 2 roky, zbývajících 0,37 mm-nepřijatelné.
Maximální rychlost částic podle materiálu (1,5 mm stěna, životnost 2 roky)
| Částicový materiál | Tvrdost (Mohs) | Typická velikost (µm) | Maximální rychlost (m/s) pro 2letou životnost | Rychlost eroze při maximální rychlosti (mm/rok) | Zbývající tloušťka po 2 letech (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Polymerové pelety (HDPE, PP) | 1–2 | 2,000–5,000 | >5.0 | <0.10 | >1.3 |
| Uhličitan vápenatý (vápenec) | 3 | 100–300 | 4.5–5.0 | 0.18–0.22 | 1.06–1.14 |
| Chlorid sodný (krystaly soli) | 2.5 | 200–500 | 4.0–4.5 | 0.20–0.25 | 1.00–1.10 |
| Měděná ruda (chalkopyrit) | 3.5–4 | 100–200 | 3.5–4.0 | 0.25–0.30 | 0.90–1.0 |
| Železná ruda (hematit) | 5–6 | 100–200 | 2.8–3.2 | 0.35–0.45 | 0.80–0.90 |
| Křemičitý písek (křemen) | 7 | 100–200 | 2.5–3.0 | 0.34–0.50 | 0.80–1.00 |
| Křemičitý písek | 7 | 200–400 | 2.2–2.7 | 0.40–0.60 | 0.70–0.90 |
| Skleněné korálky | 5–6 | 100–300 | 3.0–3.5 | 0.30–0.45 | 0.80–1.00 |
| Alumina (Al₂O3) | 9 | 50–100 | 1.8–2.2 | 0.30–0.50 | 0.80–1.00 |
| Karbid křemíku (SiC) | 9.5 | 50–150 | 1.2–1.5 | 0.45–0.70 | 0.60–0.80 |
| oxid zirkoničitý (ZrO₂) | 8 | 50–100 | 1.5–2.0 | 0.40–0.60 | 0.70–0.90 |
| Popílek (smíšený) | 5–6 | 50–150 | 3.0–3.5 | 0.30–0.45 | 0.80–1.00 |
Praktické důsledky a zmírnění
U stávajících instalací změřte místní rychlost proudění přes ohřívač pomocí pitotovy trubice nebo ultrazvukového průtokoměru. Umístěte měřicí bod do 50 mm od povrchu ohřívače na straně proti proudu, protože rychlost je zde 1,5–2,5× vyšší než rychlost objemové nádrže v důsledku zúžení průtoku. Pokud naměřená rychlost překročí maximum pro daný typ částic, proveďte nápravná opatření: (1) Nainstalujte deflektor průtoku (děrovanou desku) 50–100 mm před ohřívačem, abyste snížili lokalizovanou rychlost. Dobře-navržený deflektor může snížit rychlost ohřívače o 40–60 %. (2) Zvětšete tloušťku stěny ohřívače na 2,5–3,0 mm, což zvýší přípustnou rychlost o 30–50 % při stejném přídavku na erozi. (3) Snižte rychlost čerpadla nebo nainstalujte frekvenční měnič, abyste snížili rychlost oběhu. (4) Změňte orientaci ohřívače: vertikální ohřívač s prouděním rovnoběžným s jeho osou podléhá mnohem nižší erozi (faktorem 5–10) než vodorovným ohřívačem kolmým k proudění. Pro provoz v kalu vždy namontujte ohřívače vertikálně s prouděním pohybujícím se axiálně podél délky ohřívače, nikoli napříč.
Pro 1,5 mm PFA pláště, které jsou již v abrazivním provozu, je povinné roční měření tloušťky. Použijte ultrazvukové měřidlo ve třech výškách a čtyřech obvodových polohách. Pokud ředění překročí 0,2 mm/rok, je rychlost nad bezpečným limitem. Naplánujte výměnu, když zbývající tloušťka dosáhne 1,0 mm, a zaveďte opatření ke snížení rychlosti náhradního ohřívače. Provozování pláště o tloušťce 1,5 mm pod tloušťkou 1,0 mm riskuje náhlou perforaci, kontaminaci lázně a zemní spojení.
Závěr: 2,5–3,0 m/s Maximum pro křemičitý písek
Pro 1,5mm plášť PFA v suspenzi křemičitého písku (Mohs 7, 100–200 µm, 2–5% koncentrace) je maximální rychlost částic bez erozivního selhání za 2 roky nepřetržitého provozu 2,5–3,0 m/s. Při vyšších rychlostech eroze překračuje 0,5 mm/rok, čímž se během 2 let sníží tloušťka stěny pod bezpečné minimum 0,8–1,0 mm. U tvrdších částic (oxid hlinitý, SiC) klesá maximální rychlost na 1,5–2,0 m/s. Pro měkčí částice (vápenec, sůl) jsou přijatelné rychlosti do 4,5 m/s. Inženýři musí měřit místní rychlost, nikoli spoléhat na objemové průtoky. Pokud požadovaná rychlost procesu překračuje maximum pro typ částic, specifikujte silnější stěnu PFA (2,5–3,0 mm) nebo zaveďte opatření ke snížení rychlosti. 1,5mm plášť je vhodný pouze pro suspenze s nízkou rychlostí, nízkou-koncentrací nebo měkkými-částicemi. Pro vysokorychlostní-službu tvrdých{30}}částic je 1,5 mm nedostačující bez ohledu na další konstrukční prvky. Stěna o tloušťce 1,5 mm je nejběžnější průmyslovou tloušťkou, ale v abrazivním provozu je to často špatná volba. Před specifikací vypočítejte rychlost eroze. Pokud máte pochybnosti, jděte hustěji. Eroze neodpouští.
