Wyzwanie dotyczące skoncentrowanego kwasu
Kwas siarkowy w stężeniach powyżej 80% i temperaturach powyżej 100 stopni stwarza wyjątkowe środowisko korozyjne. Kwas jest silnie utleniający, wysoce higroskopijny i ma zdolność odwadniania związków organicznych. Niewiele materiałów jest w stanie wytrzymać długotrwałe narażenie.
Cyrkon jest jednym z niewielu metali wykazujących użyteczną odporność na gorący stężony kwas siarkowy. Jego pasywna warstwa ZrO₂ jest stabilna w środowiskach silnie utleniających. Cyrkonowe wymienniki ciepła służą w zakładach kwasu siarkowego, instalacjach alkilowania i zakładach przetwórstwa chemicznego, gdzie stężenie kwasu i temperatura przekraczają możliwości stali nierdzewnych i stopów niklu.
PTFE jest obojętny na kwas siarkowy we wszystkich stężeniach i we wszystkich temperaturach do 260 stopni. Porównanie z cyrkonem to porównanie bierności elektrochemicznej i obojętności termodynamicznej-pomiędzy materiałem, który przetrwa delikatną warstwę na powierzchni, a materiałem, który w ogóle nie może reagować z kwasem.
Limit folii pasywnej cyrkonu
Cyrkon jest odporny na działanie kwasu siarkowego dzięki gęstej, przylegającej warstwie tlenku cyrkonu. Film tworzy się spontanicznie i-samonaprawia się w środowisku utleniającym. W stężonym kwasie siarkowym powyżej 80%, siła utleniająca kwasu utrzymuje film w stanie pasywnym. Cyrkon koroduje w tempie mniejszym niż 0,025 mm/rok w tych warunkach.-Doskonała wydajność.
Cyrkon ma jednak krytyczną wrażliwość na działanie kwasu siarkowego: warstwa pasywna jest stabilna tylko wtedy, gdy stężenie kwasu i temperatura mieszczą się w określonych granicach. Jeśli stężenie kwasu spadnie poniżej około 65%-podczas zakłócenia procesu, rozcieńczenia w wyniku cyklu płukania lub awarii kontroli-siła utleniająca maleje. Folia pasywna może się rozbić. Cyrkon następnie aktywnie koroduje z szybkością przekraczającą 1 mm/rok.
Przejście z korozji pasywnej do aktywnej może być nagłe. Pojedyncze rozcieńczenie trwające kilka minut może zniszczyć warstwę pasywną. Po przywróceniu stężonego kwasu powłoka może nie-odtworzyć się równomiernie. Miejscowa korozja może zainicjować się w miejscach, w których powłoka nie uległa regeneracji. Wymiennik może sprawiać wrażenie nieuszkodzonego, gdy korozja przechodzi przez ścianę w kilku odrębnych punktach.
Skoki temperatury zwiększają ryzyko. Szybkość korozji cyrkonu znacznie wzrasta powyżej 130-140 stopni w stężonym H₂SO₄. Awaria kontroli pary, która podnosi temperaturę ściany powyżej tego progu, może radykalnie przyspieszyć korozję.
Tabela 1: PTFE w porównaniu z cyrkonem w gorącym stężonym H₂SO₄ (85%, 120 stopni)
| Parametr porównawczy | Cyrkon (klasa 702) | PTFE |
|---|---|---|
| Mechanizm korozji | Pasywna folia ZrO₂ | Wrodzona stabilność wiązania C-F |
| Szybkość korozji w 85% H₂SO₄ przy 120 stopniach (mm/rok) | < 0.025 | 0 |
| Szybkość korozji, jeśli zawartość kwasu spadnie do 50% (mm/rok) | >1,0 (aktywna korozja) | 0 |
| Maksymalna bezpieczna temperatura pracy (stopnie) | 130-150 (w zależności od stężenia) | 260 |
| Wrażliwość na przetwarzanie zdenerwowań | Wysoka (rozcieńczenie → rozpad filmu) | Nic |
| Wrażliwość na wahania temperatury | Wysoka (przyspieszona korozja powyżej 130 stopni) | Brak (poniżej 260 stopni) |
| Przewodność cieplna (W/m·K) | 22 | 0.25 |
| Wymagana powierzchnia względna | 1.0× | 3-4× |
| Koszt materiału (względny) | 20-30× | 1× |
| Złożoność wykonania | Wysoka (spawanie specjalistyczne; atmosfera obojętna) | Umiarkowany |
| Tryb awarii | Wżery lub miejscowa korozja spowodowana zakłóceniem procesu | Stopniowe przerzedzenie pełzania |
| Przewidywalność żywotności | Umiarkowany (zdenerwowany-zależny) | Wysoka (obliczenia-na podstawie pełzania) |
Przetwarzanie zdenerwowanego przetrwania
Najbardziej znaczącą różnicą pomiędzy cyrkonem i PTFE w stężonym kwasie siarkowym jest reakcja na zakłócenia procesu. Rozcieńczenie, które niszczy pasywną warstwę cyrkonu, nie ma żadnego wpływu na PTFE. Skok temperatury przyspieszający korozję cyrkonu nie ma wpływu na PTFE poniżej 260 stopni.
W zakładach chemicznych występują zakłócenia procesów. Zawory sterujące się zacinają. Operatorzy popełniają błędy. Procedury nie zawsze są przestrzegane. Materiał wymagający ciągłego utrzymywania określonych warunków chemicznych, aby przetrwać, jest z natury bardziej podatny na uszkodzenia niż materiał bezwarunkowo obojętny.
Ekonomiczną konsekwencją tej wrażliwości jest albo zaakceptowanie ryzyka nieplanowanej awarii, albo inwestycja w rozbudowaną kontrolę procesu, blokady i systemy monitorowania w celu ochrony cyrkonu przed warunkami, których nie może tolerować. Koszt tych systemów ochronnych należy uwzględnić w porównaniu materiałów.
Koszt i ślad
Cyrkon jest drogi-około 20-30 razy więcej niż PTFE za kilogram surowca. Cyrkonowe wymienniki ciepła wymagają specjalistycznej produkcji, obejmującej spawanie-gazem obojętnym i obróbkę cieplną odprężającą. Koszt gotowego sprzętu jest 8-15 razy większy niż w przypadku równoważnego wymiennika PTFE.
PTFE wymaga 3-4 razy większej powierzchni ze względu na niższą przewodność cieplną. Większy ślad jest główną wadą PTFE. Tam, gdzie dostępna jest przestrzeń instalacyjna, niższy koszt materiału i odporność na zakłócenia procesowe faworyzują PTFE. Tam, gdzie przestrzeń jest poważnie ograniczona, zwartość cyrkonu może uzasadniać jego wyższy koszt i wrażliwość na zdenerwowanie.
Streszczenie
Wymienniki ciepła PTFE są bezwarunkowo obojętne na kwas siarkowy we wszystkich stężeniach i temperaturach do 260 stopni. Cyrkon opiera się na warstwie pasywnej, która jest stabilna w stężonym kwasie, ale podatna na katastrofalny rozkład podczas rozcieńczania lub wahań temperatury. Przeżywalność PTFE w wyniku zakłócenia procesu jest absolutna; cyrkon jest warunkowy.
Początkowa przewaga kosztowa PTFE w połączeniu z eliminacją ryzyka awarii procesu zakłócającego sprawia, że jest to wybór o niższym-ryzyku w przypadku większości zastosowań stężonego kwasu siarkowego w jego granicach temperaturowych. Cyrkon jest zarezerwowany do zastosowań przekraczających temperaturę PTFE lub wymagających zwartości, jaką może zapewnić tylko metal.
Analiza inżynierska dotycząca wyboru materiału roboczego w postaci stężonego H₂SO₄ jest dostępna po przedstawieniu zakresu stężeń kwasu, temperatur normalnych i krytycznych, obciążenia cieplnego, dostępnej przestrzeni i danych dotyczących niezawodności kontroli procesu.
