Mieszane kompozycje kwasowe, które definiują granice
Systemy odzyskiwania mieszanych kwasów obsługują kilka różnych kombinacji kwasów, a wybór materiału zależy od tego, która kombinacja jest obecna.
Mieszanki azotowe-fluorowodorowe.Są one używane do wytrawiania stali nierdzewnej i trawienia tytanu. Kwas azotowy zapewnia potencjał utleniający, a kwas fluorowodorowy zapewnia aktywność fluorkową. Mieszanka jest agresywna dla większości metali i wielu materiałów ceramicznych. PTFE jest odporny na mieszaninę we wszystkich stężeniach i temperaturach w swoim zakresie. Węglik krzemu jest odporny na mieszaninę w temperaturach do 80 stopni, ale fluor atakuje węglik krzemu w wyższych temperaturach.
Mieszaniny siarki-fluorowodorowej.Stosowane są do trawienia aluminium i szkła. Kwas siarkowy zapewnia siłę kwasu, a kwas fluorowodorowy zapewnia aktywność fluorkową. PTFE jest odporny na mieszaninę we wszystkich stężeniach i temperaturach. Węglik krzemu jest odporny na mieszaninę w temperaturach do 60 stopni, ale fluor atakuje węglik krzemu w wyższych temperaturach.
Mieszaniny azotu-siarki.Stosowane są do wytrawiania i pasywacji metali. Mieszanina jest silnie utleniająca, a potencjał utleniający wzrasta wraz ze stężeniem kwasu azotowego. PTFE jest odporny na mieszaninę we wszystkich stężeniach i temperaturach. Węglik krzemu jest odporny na mieszaninę w temperaturach do 100 stopni, ale potencjał utleniający może atakować fazę graniczną ziaren w węgliku krzemu.
Szczelina przewodności cieplnej
Węglik krzemu ma przewodność cieplną około 120 W/m·K w porównaniu do 0,25 W/m·K w przypadku PTFE. Stosunek wynosi około 480:1.
W przypadku wymiennika ciepła o mocy 60 kW w systemie odzyskiwania mieszanego kwasu w temperaturze 70 stopni, jednostka z węglika krzemu wymaga około 3 m² powierzchni, w oparciu o ogólny współczynnik przenikania ciepła wynoszący 1000 W/m²·K i logarytmiczną średnią różnicę temperatur wynoszącą 20 stopni. Jednostka PTFE do tego samego zadania wymaga około 15 m² powierzchni, w oparciu o ogólny współczynnik 200 W/m·K i tę samą różnicę temperatur.
Jednostka PTFE jest 5 razy większa niż jednostka z węglika krzemu. 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.
Atak fluoru na ceramikę
Fluor w systemach odzyskiwania mieszanych kwasów atakuje ceramikę w inny sposób niż atak na metale. Fluorek reaguje z dwutlenkiem krzemu lub tlenkiem glinu w ceramice, tworząc rozpuszczalne związki fluoru, które rozpuszczają ceramikę. Szybkość ataku zależy od stężenia fluoru, temperatury i konkretnego składu ceramiki.
Węglik krzemu ma lepszą odporność na fluor niż ceramika na bazie tlenku glinu-, ponieważ ziarna węglika krzemu są połączone azotkiem krzemu lub matrycą z węglika krzemu, która jest bardziej odporna na fluor. Jednakże faza graniczna ziaren może zostać zaatakowana przez fluor w podwyższonej temperaturze, a atak osłabia ceramikę i ostatecznie powoduje uszkodzenie.
PTFE jest odporny na fluor we wszystkich stężeniach i temperaturach w swoim zakresie użytkowym. Wiązania węgiel-fluor nie są atakowane przez fluor, a struktura polimeru nie ulega degradacji pod wpływem środowiska chemicznego. Jest to główny powód, dla którego PTFE jest zalecany do systemów odzyskiwania mieszanych kwasów o wysokim stężeniu fluoru.
Porównanie dwóch materiałów w procesie odzyskiwania mieszanych kwasów
Poniższa tabela podsumowuje charakterystykę wydajności i kosztów wymienników ciepła z PTFE i węglika krzemu w procesie odzysku mieszanego kwasu w temperaturze 70 stopni z 10% kwasem azotowym i 3% kwasem fluorowodorowym.
| Charakterystyczny | Wymiennik ciepła z węglika krzemu | Wymiennik ciepła PTFE | Korzyść |
|---|---|---|---|
| Przewodność cieplna | 120 W/m·K | 0.25 W/m·K | Węglik krzemu |
| Całkowity współczynnik przenikania ciepła | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Węglik krzemu |
| Wymagana powierzchnia dla mocy 60 kW | 3 m² | 15 m² | Węglik krzemu |
| Odporność chemiczna na mieszaninę azotową-fluorowodorową | Dobrze w 70 stopniach | Doskonały | PTFE |
| Odporność chemiczna na fluor | Umiarkowany | Doskonały | PTFE |
| Maksymalna temperatura robocza | 80 stopni (z fluorem) | 260 stopni | PTFE |
| Wytrzymałość mechaniczna | Wysoki | Umiarkowany | Węglik krzemu |
| Odporność na szok termiczny | Niski | Wysoki | PTFE |
| Odporność na uderzenia mechaniczne | Niski | Wysoki | PTFE |
| Możliwość naprawy | Ograniczony | Dobry | PTFE |
| Żywotność w trybie mieszanym kwasem | 4–6 lat | 10–15 lat | PTFE |
| Koszt inwestycyjny przy obciążeniu 60 kW | $48,000 | $42,000 | PTFE |
| Koszt instalacji | $6,000 | $4,000 | PTFE |
| Roczny koszt utrzymania | $5,000 | $2,000 | PTFE |
| Całkowity koszt pięciu-lat | $109,000 | $72,000 | 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 ceramika jest lepszym wyborem
Ceramika jest lepszym wyborem w kilku konkretnych zastosowaniach.
Usługa z niską-fluorką.Gdy stężenie fluoru jest niższe niż 1%, stopień ataku fluorku ceramicznego jest niski, a żywotność jest wydłużona. W tym przypadku wyższa przewodność cieplna węglika krzemu zmniejsza wymaganą powierzchnię i koszt inwestycyjny.
Instalacje-o ograniczonej przestrzeni.Gdy dostępna przestrzeń jest poważnie ograniczona, jedyną wykonalną opcją może być mniejsza jednostka z węglika krzemu. Jednostka PTFE wymagałaby 5 razy większej powierzchni, co może nie zmieścić się w dostępnej przestrzeni.
Usługa w wysokiej-temperaturze bez fluoru.Gdy mieszany kwas nie zawiera fluoru, a temperatura przekracza 100 stopni, węglik krzemu zachowuje swoją wytrzymałość mechaniczną i odporność chemiczną, podczas gdy PTFE mięknie i traci wytrzymałość powyżej 200 stopni.
Usługa o wysokiej-czystości.Węglik krzemu nie wypłukuje związków organicznych do płynu procesowego, dzięki czemu nadaje się do zastosowań o wysokiej-czystości, gdzie problemem jest wymywanie substancji organicznych z PTFE.
Usługa ścierna.Węglik krzemu ma wyższą twardość i odporność na zużycie niż PTFE, co sprawia, że nadaje się do pracy z zawieszonymi ciałami stałymi, które mogłyby ścierać powierzchnię wymiennika ciepła.
Kiedy PTFE jest lepszym wyborem
PTFE jest lepszym wyborem w kilku konkretnych zastosowaniach.
Usługi wysoko-fluorkowe.PTFE jest odporny na fluor we wszystkich stężeniach, podczas gdy węglik krzemu jest atakowany przez fluor w podwyższonej temperaturze.
Usługa termocyklingu.PTFE ma wyższą odporność na szok termiczny niż węglik krzemu, co sprawia, że nadaje się do pracy przy częstych zmianach temperatury.
Usługa udaru mechanicznego.PTFE jest bardziej odporny na uderzenia mechaniczne niż węglik krzemu, co sprawia, że nadaje się do instalacji, w których wymiennik ciepła może być narażony na wibracje lub manipulację.
Usługa naprawialna.Wymienniki ciepła PTFE mogą być naprawiane na miejscu przez wykwalifikowanego technika, co ogranicza przestoje i straty produkcyjne.
Usługa dużego obciążenia cieplnego.W przypadku dużych obciążeń cieplnych niższy koszt inwestycyjny PTFE staje się bardziej znaczący, a większa powierzchnia jest mniejszym ograniczeniem.
Cechy konstrukcyjne wydłużające żywotność
Kilka cech konstrukcyjnych wydłuża żywotność zarówno PTFE, jak i ceramicznych wymienników ciepła w trybie odzysku mieszanego kwasu.
Niższa temperatura pracy.Obniżenie temperatury roboczej zmniejsza atak fluoru na ceramikę i dyfuzję kwasu do PTFE.
Niższe stężenie fluoru.Zmniejszenie stężenia fluoru zmniejsza agresję na ceramikę. Stężenie fluoru należy stale monitorować i utrzymywać poniżej progu określonego materiału ceramicznego.
Kontrola prędkości przepływu.Utrzymanie umiarkowanej prędkości przepływu zmniejsza grubość warstwy granicznej i stężenie fluoru 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.
Monitorowanie temperatury.Czujniki temperatury na wlocie i wylocie wymiennika ciepła umożliwiają monitorowanie wydajności wymiany ciepła, co pozwala na wczesne wykrycie zanieczyszczenia lub degradacji.
Parametry techniczne odzyskiwania mieszanych kwasów
Inżynierowie sprzętu oceniający PTFE i ceramiczne wymienniki ciepła do odzyskiwania mieszanych kwasów powinni potwierdzić z dostawcą następujące parametry.
Mieszany skład kwasowy.Określ stężenie kwasu azotowego, kwasu siarkowego, kwasu fluorowodorowego i wszelkich innych składników.
Temperatura robocza.Określ maksymalną temperaturę roboczą i oczekiwany profil temperatury.
Stężenie fluoru.Określ maksymalne stężenie fluoru i metodę monitorowania.
Zawieszone ciała stałe.Określ stężenie i wielkość cząstek wszelkich substancji stałych zawieszonych w kwasie.
Obciążenie cieplne i powierzchnia.Określ obciążenie cieplne i wymaganą powierzchnię dla każdej opcji materiału.
Ograniczenia przestrzenne.Określ dostępną przestrzeń i maksymalną dopuszczalną powierzchnię.
Możliwość konserwacji.Należy określić możliwości konserwacyjne obiektu, w tym możliwość naprawy wymiennika ciepła na miejscu.
Wymóg żywotności.Określ oczekiwany okres użytkowania i harmonogram wymiany.
Dopasowanie doboru materiałów do warunków pracy z mieszanymi kwasami
Wybór pomiędzy wymiennikami ciepła PTFE i ceramicznymi do odzyskiwania mieszanych kwasów zależy od stężenia fluoru, temperatury, ograniczeń przestrzennych i wymagań dotyczących żywotności. Ceramika ma wyższą przewodność cieplną i wymaga mniejszej powierzchni, ale jest podatna na atak fluoru i szok termiczny. PTFE ma niższą przewodność cieplną i wymaga większej powierzchni, ale jest odporny na fluor i szok termiczny.
Decyzja o wyborze powinna opierać się na analizie-specyficznego obiektu, która uwzględnia koszt kapitału, koszt instalacji, koszt konserwacji i narażenie na straty produkcyjne. Prosty model arkusza kalkulacyjnego z tymi składnikami kosztów dostarcza informacji potrzebnych do podjęcia decyzji.
W przypadku instalacji odzysku mieszanego kwasu, w których ocenia się opcje wymienników ciepła, wybór materiału powinien opierać się na całkowitym koszcie posiadania w oczekiwanym okresie użytkowania, a nie tylko na wydajności cieplnej lub koszcie kapitałowym. Jednostka ceramiczna o wyższej przewodności cieplnej może mieć wyższy koszt w okresie użytkowania, jeśli stężenie fluoru jest wysokie i wymaga częstej wymiany.
Inżynierowie sprzętu i specjaliści ds. zaopatrzenia oceniający specyfikacje wymienników ciepła PTFE do odzyskiwania mieszanych kwasów lub innych zastosowań korozyjnych mogą poprosić o przegląd projektu obejmujący skład mieszanych kwasów, temperaturę roboczą, stężenie fluorków, zawiesiny stałe i ograniczenia przestrzenne, aby potwierdzić, że wybór materiału jest dopasowany do rzeczywistych warunków pracy i struktury kosztów obiektu.
