Chemia atakująca tytan
Tytan jest odporny na podchloryn sodu poprzez tworzenie pasywnej warstwy tlenkowej, która jest stabilna w roztworach obojętnych i zasadowych. Powłoka jest powodem, dla którego tytan dobrze radzi sobie z wybielaniem w umiarkowanej temperaturze i stężeniu. Film rozpada się, gdy temperatura wzrasta powyżej 70 stopni, gdy stężenie wzrasta powyżej 15% lub gdy pH spada poniżej 9.
Szybkość korozji tytanu w środowisku podchlorynu w temperaturze 60 stopni i 12% podchlorynu wynosi zazwyczaj mniej niż 0,05 mm rocznie. Przy 80 stopniach i 15% podchlorynu szybkość wzrasta do 0,3–0,8 mm rocznie. Przy 90 stopniach i 15% podchlorynu szybkość może przekraczać 1,5 mm rocznie.
Korozja zazwyczaj rozpoczyna się na końcach rur, gdzie prędkość przepływu jest niska, a temperatura jest wysoka, oraz na połączeniach rur-z-blachami rur, gdzie geometria szczeliny koncentruje substancje korozyjne. Korozja objawia się wżerami, które wnikają w ściankę rury i powodują wyciek.
Chemia atakująca PTFE
PTFE jest odporny na podchloryn sodu we wszystkich stężeniach i temperaturach w swoim zakresie użytkowym. Wiązania węgiel-fluor nie są atakowane przez podchloryn lub sodę kaustyczną, która stabilizuje wybielacz. Materiał nie ulega korozji, a żywotność zależy od czynników mechanicznych, a nie od ataku chemicznego.
Jedynym mechanizmem degradacji PTFE w środowisku podchlorynu jest dyfuzja podchlorynu i substancji żrącej do amorficznych obszarów polimeru. Dyfuzja jest powolna, a wpływ na właściwości mechaniczne jest umiarkowany. Żywotność wymiennika ciepła PTFE pracującego podchlorynem wynosi zazwyczaj 12–18 lat.
Szczelina przewodności cieplnej
Przewodność cieplna tytanu wynosi około 22 W/m·K, w porównaniu do 0,25 W/m·K w przypadku PTFE. Stosunek wynosi około 88:1.
W przypadku wymiennika ciepła dostarczającego 40 kW w 12% podchlorynu w temperaturze 60 stopni, jednostka tytanowa wymaga około 3 m² powierzchni, w oparciu o ogólny współczynnik przenikania ciepła 800 W/m²·K i logarytmiczną średnią różnicę temperatur wynoszącą 17 stopni. Jednostka PTFE do tego samego zadania wymaga około 12 m² powierzchni, w oparciu o ogólny współczynnik 200 W/m·K i tę samą różnicę temperatur.
Jednostka PTFE jest 4 razy większa niż jednostka tytanowa. Większy rozmiar zwiększa koszt inwestycyjny, powierzchnię podłogi i objętość płynu. Niższy strumień ciepła zmniejsza temperaturę ścianek rury, co jest korzystne dla procesu, ale większa powierzchnia zapewnia również większą powierzchnię dla osadów i wymaga więcej czasu na czyszczenie.
Problem rozkładu w podwyższonej temperaturze
Podchloryn sodu rozkłada się z szybkością rosnącą wraz ze wzrostem temperatury. W temperaturze 60 stopni stopień rozkładu wynosi około 2% dziennie. Przy 70 stopniach stawka wynosi około 5% dziennie. Przy 80 stopniach stawka wynosi około 10% dziennie. W wyniku rozkładu wydziela się gazowy chlor i kwas solny, które powodują korozję obu materiałów.
Szybkość rozkładu ogranicza praktyczną temperaturę roboczą zarówno tytanu, jak i PTFE. W temperaturach powyżej 70 stopni szybkość rozkładu jest na tyle wysoka, że stężenie podchlorynu musi być stale uzupełniane, a gazowy chlor musi być odprowadzany. Dobór materiału musi uwzględniać chlor gazowy i produkty rozkładu.
Tytan jest szczególnie podatny na kwas solny powstający w wyniku rozkładu. Kwas obniża pH i przyspiesza korozję tytanu. PTFE jest odporny na kwas solny i gazowy chlor, więc rozkład nie wpływa na żywotność PTFE.
Porównanie dwóch materiałów w ramach usługi wybielania podchlorynowego
Poniższa tabela podsumowuje charakterystykę wydajności i kosztów wymienników ciepła z PTFE i tytanu w procesie wybielania podchlorynowego w temperaturze 60 stopni z 12% podchlorynem sodu.
| Charakterystyczny | Tytanowy wymiennik ciepła | Wymiennik ciepła PTFE | Korzyść |
|---|---|---|---|
| Przewodność cieplna | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Tytan |
| Całkowity współczynnik przenikania ciepła | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Tytan |
| Wymagana powierzchnia dla mocy 40 kW | 3 m² | 12 m² | Tytan |
| Odporność chemiczna na 12% podchlorynu w temperaturze 60 stopni | Doskonały | Doskonały | Równy |
| Odporność chemiczna na 15% podchlorynu w temperaturze 80 stopni | Słaby | Doskonały | PTFE |
| Odporność chemiczna na gazowy chlor | Umiarkowany | Doskonały | PTFE |
| Maksymalna temperatura robocza | 70 stopni (praktyczny) | 260 stopni | PTFE |
| Wytrzymałość mechaniczna | Wysoki | Umiarkowany | Tytan |
| Odporność na szok termiczny | Umiarkowany | Wysoki | PTFE |
| Możliwość naprawy | Ograniczony | Dobry | PTFE |
| Żywotność w trybie podchlorynu | 5–8 lat | 12–18 lat | PTFE |
| Koszt inwestycyjny przy obciążeniu 40 kW | $32,000 | $34,000 | Tytan |
| Koszt instalacji | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Roczny koszt utrzymania | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Całkowity koszt pięciu-lat | $76,000 | $55,500 | PTFE |
Wartości kosztów całkowitych w ciągu pięciu- lat zakładają wartość produkcji wynoszącą 600 USD na godzinę i obejmują koszt kapitału, koszt instalacji i koszt konserwacji w ciągu pięciu lat.
Kiedy tytan jest lepszym wyborem
Tytan jest lepszym wyborem w kilku konkretnych zastosowaniach.
Usługa w niskiej-temperaturze.W temperaturach poniżej 50 stopni tytan jest bez problemu odporny na podchloryn, a wyższa przewodność cieplna zmniejsza wymaganą powierzchnię i koszty inwestycyjne.
Usługa o niskiej-koncentracji.W stężeniach poniżej 10% tytan jest odporny na podchloryn w temperaturach do 60 stopni, a wyższa przewodność cieplna zmniejsza wymaganą powierzchnię.
Instalacje-o ograniczonej przestrzeni.Gdy dostępna przestrzeń jest poważnie ograniczona, mniejsza jednostka tytanowa może być jedyną wykonalną opcją. Jednostka PTFE wymagałaby 4 razy większej powierzchni, co może nie zmieścić się w dostępnej przestrzeni.
Usługi wysokociśnieniowe-.Tytan ma wyższą wytrzymałość mechaniczną niż PTFE i może wytrzymać wyższe ciśnienia. W przypadku pracy podchlorynem przy ciśnieniu powyżej 10 barów tytan może być jedyną realną opcją.
Kiedy PTFE jest lepszym wyborem
PTFE jest lepszym wyborem w kilku konkretnych zastosowaniach.
Obsługa w wysokiej-temperaturze.W temperaturach powyżej 60 stopni PTFE jest odporny na produkty rozkładu lepiej niż tytan, a żywotność jest dłuższa.
Usługa o wysokiej-koncentracji.W stężeniach powyżej 12% PTFE jest odporny na działanie podchlorynu i substancji żrących lepiej niż tytan.
Narażenie na gazowy chlor.Jeśli w wyniku rozkładu powstaje gazowy chlor, PTFE jest odporny na gaz lepiej niż tytan.
Usługa termocyklingu.PTFE ma wyższą odporność na szok termiczny niż tytan, co sprawia, że nadaje się do pracy przy częstych zmianach temperatury.
Wymagana długa żywotność.Jeśli żywotność wymiennika ciepła ma wynosić co najmniej 10 lat, lepszym wyborem będzie PTFE, ponieważ jest on odporny na działanie substancji chemicznych przez dłuższy czas.
Cechy konstrukcyjne wydłużające żywotność
Kilka cech konstrukcyjnych wydłuża żywotność wymienników ciepła z PTFE i tytanu w przypadku wybielania podchlorynowego.
Niższa temperatura pracy.Obniżenie temperatury roboczej z 70 stopni do 50 stopni zmniejsza szybkość rozkładu i atak chemiczny na materiał wymiennika ciepła.
Niższe stężenie.Zmniejszenie stężenia podchlorynu z 15% do 10% zmniejsza agresję chemiczną i szybkość rozkładu.
Kontrola pH.Utrzymanie pH powyżej 10 zmniejsza korozję tytanu i rozkład podchlorynu.
Kontrola prędkości przepływu.Utrzymanie umiarkowanej prędkości przepływu zmniejsza grubość warstwy granicznej i stężenie produktów rozkładu na powierzchni rury.
Przepisy dotyczące-sprzątania na miejscu.Przyłącza zasilania i powrotu roztworu czyszczącego umożliwiają czyszczenie wymiennika ciepła bez demontażu, co zmniejsza przestoje i straty produkcyjne.
Parametry specyfikacji usługi wybielania podchlorynowego
Inżynierowie sprzętu oceniający wymienniki ciepła z PTFE i tytanu pod kątem zastosowania wybielacza podchlorynowego powinni potwierdzić z dostawcą następujące parametry.
Stężenie podchlorynu.Określ maksymalne stężenie i oczekiwany zakres.
Temperatura robocza.Określ maksymalną temperaturę roboczą i oczekiwany profil temperatury.
pH.Określ zakres pH i metodę kontroli.
Ciśnienie robocze.Określ maksymalne ciśnienie robocze.
Obciążenie cieplne i powierzchnia.Określ obciążenie cieplne i wymaganą powierzchnię dla każdej opcji materiału.
Szybkość rozkładu.Określ oczekiwaną szybkość rozkładu i szybkość wytwarzania gazowego chloru.
Ograniczenia przestrzenne.Określ dostępną przestrzeń i maksymalną dopuszczalną powierzchnię.
Wymóg żywotności.Określ oczekiwany okres użytkowania i harmonogram wymiany.
Dopasowanie doboru materiałów do warunków obsługi podchlorynu
Wybór pomiędzy wymiennikami ciepła z PTFE i tytanu w przypadku wybielania podchlorynowego zależy od temperatury, stężenia, pH i wymaganej żywotności. Tytan ma wyższą przewodność cieplną i wymaga mniejszej powierzchni, ale jest podatny na korozję w podwyższonej temperaturze i wysokim stężeniu. PTFE ma niższą przewodność cieplną i wymaga większej powierzchni, ale jest odporny na podchloryn we wszystkich stężeniach i temperaturach.
Decyzja o wyborze powinna opierać się na analizie-specyficznej placówki, która uwzględnia koszt kapitału, koszt utrzymania i narażenie na straty produkcyjne. Prosty model arkusza kalkulacyjnego z tymi składnikami kosztów dostarcza informacji potrzebnych do podjęcia decyzji.
W przypadku zakładów usługowych wykorzystujących wybielacz podchlorynowy oceniających opcje wymienników ciepła wybór materiału powinien opierać się na całkowitym koszcie posiadania w oczekiwanym okresie użytkowania, a nie tylko na koszcie kapitałowym lub wydajności cieplnej. Jednostka tytanowa o niższym koszcie inwestycyjnym może mieć wyższy koszt w całym okresie użytkowania, jeśli wymaga częstej wymiany.
Inżynierowie sprzętu i specjaliści ds. zaopatrzenia oceniający specyfikacje wymienników ciepła PTFE dla wybielacza podchlorynowego lub innych usług utleniających mogą poprosić o przegląd projektu obejmujący stężenie podchlorynu, temperaturę roboczą, pH, ciśnienie robocze i wymagania dotyczące żywotności, aby potwierdzić, że wybór materiału jest dopasowany do rzeczywistych warunków pracy i struktury kosztów obiektu.
