ما هو مفاعل الحرارة العالية؟ التصميم والمواد والتطبيقات

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو مفاعل الحرارة العالية، وما هي التحديات المادية والتصميمية التي تميزه عن المفاعلات الكيميائية القياسية؟المفاعل عالي درجة الحرارة هو وعاء ضغط مصمم للعمل المستمر في درجات حرارة الجدار من 500C إلى 1200C ، والتي تتطلب سبائك فائقة متخصصة على أساس النيكل (Inconel 625/UNS N06625 ،الـ Incoloy 800H/UNS N08810)في هذه درجات الحرارة ، تتجاوز الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي العادي (304 ، 316L) قوة الانكسار عند الزحف لمدة 100000 ساعة عند الضغوط المتوسطة ،و ASME القسم الثامن قسم 1 قواعد التصميم تصبح غير كافية، والتي تتطلب القسم 2 (قواعد التصميم الأعلى) أو حالات التعليمات الخاصة ASME (على سبيل المثال، حالة التعليمات 2753 لسبائك النيكل).تتضمن التحديات الهندسية الرئيسية تشوه الزحف المعتمد على الوقت (يتم حكمها بواسطة معيار لارسون-ميلر)، الإجهاد الحراري الناتج عن التوسع التفاضلي بين المعادن المختلفة (ألفا = 17.5 × 10 × 6 / ك ل 316L مقابل 12.7 × 10 × 6 / ك ل Inconel 625 عند 600C) ، أكسدة / carburization من الأسطح الداخلية ،والإدارة الحرارية للواجهة الصلبة للقشرة.

1مبادئ التصميم الأساسية للمفاعلات عالية الحرارة

تصميم المفاعل عالي الحرارة يتناول أربعة مبادئ معدنية وهيكلية:

• تشوه الزحف وبارامتر لارسون ميلرفوق ما يقرب من 0.4 مرة من نقطة الذوبان (T_m في كيلفين) ، تخضع المعادن للتشوه البلاستيكي المعتمد على الوقت (الزحف) تحت الضغط المستمر.هذا الحد هو 668K (395C)؛ لـ Inconel 625 (T_m = 1610K) ، هو 644K (371C). معيار لارسون-ميلر (LMP = T x (log t + C_20) x 10 ^ 3 ، حيث T هو درجة الحرارة المطلقة ، t هو وقت الانكسار في الساعات ،و C_20 هو ثابت المواد ~ 20) يرتبط التوترفي 650 درجة مئوية و 100،000 ساعة ، يدعم 316L 69 MPa فقط ، بينما يدعم Inconel 625 فوق 138 MPa ، مما يملي التحول إلى سبائك النيكل فوق 550-600 درجة مئوية.
• الإجهاد الحراري وإدارة التوسع التفاضليالنشاط الحراري ينشأ من التوسع التفاضلي المقيد بين المعادن المختلفة ، وتدرجات درجة الحرارة عبر سمك الجدار ، والحمل الحراري العابر.الإجهاد الحراري في جدار أسطواني هو sigma_th = E x alpha x delta-T / (2(1-nu))، حيث E هو نموذج يونغ، ألفا هو معامل التوسع الحراري، دلتا-T هو تراجع درجة الحرارة عبر الجدار، ونيو هو نسبة بويسون.sigma_th = 193000 × 17.5x10^-6 x 100 / (2 x 0.7) = 241 MPa ، يقترب من قوة الانسحاب عند درجة الحرارة.التحولات من الفولاذ غير المقاوم للكربون) تتطلب قطع الانتقال مع تركيبات مرتبة (التداول Inconel 625 على الفولاذ الكربوني).
• الغطاء الحارق وإدارة خسائر الحرارةالغطاء الداخلي المقاوم للنيران (السيليكات الألومينا القابل للصب، الطوب، أو الألياف السيرامية) يحمي قشرة الصلب من التعرض المباشر لدرجات حرارة العملية من 1000-1650C.سمك الغطاء النموذجي هو 100-300 ملم مع توصيل حرارية 0.2-1.5 W / m-K ، والحفاظ على درجة حرارة القشرة أقل من 400C. توفر طبقة احتياطية من الألياف السيراميكية (kaowool) إعفاء التوسع وتقلل من فقدان الحرارة إلى أقل من 500 W / m2 سطح القشرة.يجب أن يمنع تصميم الوجه البارد التكثيف في نقطة الندى الحمضية (لغازات الدخان التي تحتوي على الكبريت) والكسر في الغلاف بسبب تآكل الإجهاد من رواسب الكلوريد.
• مقاومة الأكسدة والكربوريزة والنيتراتالغلاف الجوي عالي درجة الحرارة يسبب تدهور السطح من خلال الأكسدة (نمو مقياس الأكسيد عند 1-10 مم / سنة فوق 900 درجة مئوية للصلب الأوستنيتي) ،الكربوريزة (التقاط الكربون من غلاف CO/CH4 مما يسبب هطول الكربيد الداخلي والتكسر)، والنيترات (التقاط النيتروجين من الغلاف الجوي NH3). يشكل Inconel 625 و 800H قشور Cr2O3 أو Al2O3 الوقائية التي تقاوم هذه الآليات.للبيئات العدوانية للغاية (الكبريت + الكربور)، وتوفير طبقات انتشار الألومينيد أو غطاء لحام (Inconel 625 على الفولاذ الكربوني بسماكة 3-6 ملم) حماية السطح.

2المواد الرئيسية لمفاعلات الحرارة العالية

يتم تصنيف مواد المفاعل عالية درجة الحرارة حسب نطاق درجة حرارة الخدمة وآلية التدهور:

• السوبر سبائك على أساس النيكل (Inconel 625، Incoloy 800H)إنكونيل 625 (Ni 62، Cr 22، Mo 9، Nb 4، Fe 5) يقدم خدمة إلى 980C مع أكسدة ممتازة، والكربوريزة، ومقاومة الحفر.000 ساعة الإجهاد الانكسار الزاحف عند 650C يتجاوز 138 MPa (مقارنة 69 MPa ل 316L)الـ Incoloy 800H (Ni 32، Cr 21، Fe 46) هو رمز ASME المعتمد للخدمة النووية والبتروكيماويّة إلى 982C (المادة N 47 للطاقة النوويّة، المادة 1325 للقسم VIII).تستخدم في إصلاح غاز الميثان بالبخار، أنابيب فرن إيثيلين كراكينغ، ومفاعلات إنتاج الهيدروجين.
• مفاعل الفولاذ الكربوني المغطى بالشعلةقشرة من الفولاذ الكربوني (SA516 Gr.70) مغلفة بـ 150-300 ملم من الصلبة (ألومينا 60-90٪ ،أو الكروم الكوروندوم لمقاومة الخث) يعمل عند درجة حرارة الغلاف أقل من 400 درجة مئوية بينما يحتوي على غازات عملية عند 1000-1650 درجة مئويةالغطاء المقاوم للنيران يمتص الصدمات الحرارية، ويقاوم تآكل الغاز المليء بالجسيمات، ويمنح مقاومة كيميائية للخرامات الحمضية.محولات خطوط نقل الكراكرة البتروكيماوية (TLE)، وغرف حرق بعد الحرق.
• مفاعلات السيراميك وكربيد السيليكون (SiC)مفاعلات الكربيد السيليكونية (ألفا-سي سي) تعمل باستمرار عند 1200-1600C دون مكونات معدنية في المنطقة الساخنة. يمتلك سي سي مقاومة مذهلة حرارية ممتازة (دلتا-تي ماكس = 350-400C) ،مقاومة الأكسدة (تشكل SiO2 الوقائي)، وموصلية حرارية تبلغ 120-150 واط/م-ك (أعلى من معظم المعادن). تستخدم في البيتاكسية شبه الموصلة، المفاعلات النووية عالية درجة الحرارة المبردة بالغاز (HTGR) ،وعمليات الأكسدة الجزئية التحفيزية في البيئة القاسية.

مصفوفة مقارنة مواد المفاعل عالية الحرارة

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما هي معايير لارسون-ميلر ولماذا هي مهمة لتصميم المفاعل عالي درجة الحرارة؟

ج: معيار لارسون-ميلر (LMP = T x (log t + 20) x 10 ^ 3 ،حيث T هو درجة الحرارة المطلقة في كيلفين و t هو وقت الانكسار في الساعات) هو طريقة معينة لدرجة الحرارة في الوقت الذي يرتبط بالتوتر، درجة الحرارة، ووقت كسر الزحف. يمكنها من استنتاج بيانات اختبار الزحف المختبري على المدى القصير إلى توقعات حياة الخدمة لمدة 100،000 ساعة (11.4 سنة).يتطلب قسم ASME القسم الثالث القسم 1 (النووي) والقضية 1592 (درجة الحرارة المرتفعة) تحليل الزحف القائم على LMP لتصميم الحمل المستمريسمح LMP أيضًا بمقارنة المواد: عند LMP = 35 (على سبيل المثال ، 650C ، 100000 ساعة) ، يدعم 316L 69 MPa بينما يدعم Inconel 625 138+ MPa.

س: عند أي درجة حرارة يجب أن يتحول تصميم المفاعل من الفولاذ المقاوم للصدأ إلى سبائك على أساس النيكل؟

ج: درجة الحرارة الانتقالية تعتمد على التوتر المطبق وعمر التصميم المطلوب. للحياة المصممة لمدة 100000 ساعة عند التوترات النموذجية لجدار المفاعل (60-120 MPa):316L مناسبة لنحو 550C (حيث 100،000-h هبوط التوتر الانكسار تحت 69 MPa) ، 321/347 مستقر الدرجات تمتد إلى 600C؛ Incoloy 800H تمتد إلى 982C؛ Inconel 625 إلى 980C.درجة حرارة الانتقال تنخفضيحدد قانون ASME للكبائن وأوعية الضغط القسم الثامن القسم 1 أقصى حدود درجة الحرارة لكل مادة (على سبيل المثال ، 316L: 816C للجملة ،ولكن مع قيم الإجهاد المنخفضة بشكل ملحوظ فوق 538C).

س: كيف يتم تحديد سمك الغطاء الحارق لمفاعل عالي درجة حرارة؟

ج: يتم حساب سمك الحرارة المقاومة للنار من التوصيل الحراري أحادي الأبعاد في الحالة الثابتة: Q = (T_process - T_shell) / (t_ref/k_ref + t_shell/k_shell + 1/h_air).يحتفظ التصميم T_shell تحت 400C (حد فولاذ الكربون) مع هامش السلامة، مع تقليل سمك الحريق للحد من وزن وعلى نحو أقل من تكلفة الوعاء. سمك نموذجي هو 150-300 مم لدرجات حرارة العملية من 1000-1650 درجة مئوية.فقدان الحرارة من خلال الجدار يقتصر عادة على 300-1000 واط / متر مربع (اعتمادًا على العزل)تصميم متعدد الطبقات (الوجهه الساخنه المكثفة + الألياف السيراميكية الاحتياطية) يحسن كل من المقاومة الحرارية ومقاومة التآكل ، الصدمة الحرارية ، وهجوم الخردة.

س: ما هو الإجهاد الحراري ولماذا هو اعتبار مهم للتصميم للمفاعلات عالية درجة الحرارة؟

ج: النتائج الحرارية للضغط من التوسع الحراري المقيد. ينشأ من تراجعات درجة الحرارة من خلال الجدار (سيغما = E x ألفا x دلتا-ت / (2 x (1-nu))) ،المفاصل المعدنية المختلفة ذات معامل توسع حراري مختلف، والمنحدرات الحرارية المؤقتة للبدء / إيقاف. للجدار 50 مليمتر 316L مع منحدر 100C خلال الجدار في 600C: sigma = 193000 MPa × 17.5x10^-6 × 100 / (2 x 0.7) = 241 MPa ،الذي يقترب من قوة الانسحاب عند درجة الحرارة ويمكن أن يسبب تشقق التعب الحراري تحت الحمل الدورييتطلب القسم الثامن من ASME القسم 2 تحليلاً مفصلاً للضغوط الحرارية (عنصر محدود) لدرجات حرارة التصميم أعلى من 425C.