Temperatura ściany określająca mechanizm degradacji
Linia do anodowania kwasem siarkowym działająca w temperaturze 20 stopni z 15% kwasem siarkowym wymaga wymiennika ciepła do chłodzenia. Temperatura ścianki rury jest zbliżona do temperatury procesu, ponieważ strumień ciepła jest niski, a woda chłodząca jest tylko o kilka stopni niższa od temperatury procesu. Rurka PTFE działa w temperaturze 20–25 stopni, czyli znacznie poniżej temperatury, w której uaktywnia się jakikolwiek mechanizm degradacji. Żywotność rury zależy od czynników mechanicznych, a żywotność wynosi 15–20 lat.
Zakład przetwarzania chemicznego koncentrujący kwas siarkowy w temperaturze 150 stopni wymaga wymiennika ciepła do ogrzewania. Temperatura ścianki rury zależy od strumienia ciepła i oporu cieplnego ścianki rury. Dla strumienia ciepła 2,0 W/cm² i ściany o grubości 0,8 mm temperatura ściany wynosi około 215 stopni. W tej temperaturze kwas siarkowy atakuje PTFE z mierzalną szybkością, a żywotność rury zależy raczej od degradacji chemicznej niż od czynników mechanicznych.
Próg temperatury ścianki pomiędzy tymi dwoma trybami wynosi około 180–200 stopni w przypadku pracy z kwasem siarkowym. Poniżej tego progu tempo degradacji jest powolne, a żywotność lampy zależy od czynników mechanicznych. Powyżej tego progu szybkość degradacji gwałtownie wzrasta, a żywotność lampy maleje wraz ze wzrostem temperatury.
Mechanizm degradacji chemicznej powyżej progu
Degradacja PTFE w gorącym kwasie siarkowym zachodzi poprzez utlenianie amorficznych obszarów polimeru. Kwas siarkowy, szczególnie w wysokim stężeniu, jest silnym utleniaczem w podwyższonej temperaturze. Kwas atakuje końce łańcuchów i miejsca defektów w obszarach amorficznych, rozrywając łańcuchy polimeru i tworząc mniejsze fragmenty, które rozpuszczają się lub są porywane przez płyn procesowy.
Szybkość degradacji wzrasta wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury. Wzrost temperatury o 10 stopni w przybliżeniu podwaja szybkość degradacji. Różnica między 180 stopniami a 220 stopniami jest 16-krotnym współczynnikiem szybkości degradacji.
Degradacja nie jest równomierna na ściance rury. Atak rozpoczyna się na powierzchni i rozprzestrzenia się do wewnątrz. Powierzchnia staje się szorstka i porowata, a wytrzymałość mechaniczna maleje. Z biegiem czasu ścianka rurki staje się cieńsza i ostatecznie rurka pęka.
Wpływ stężenia kwasu
Szybkość degradacji zależy od stężenia kwasu siarkowego. Rozcieńczony kwas siarkowy (poniżej 50%) ma niższy potencjał utleniający niż kwas stężony (powyżej 90%). Szybkość degradacji w 50% kwasie siarkowym w temperaturze 200 stopni jest w przybliżeniu o połowę mniejsza niż w 98% kwasie siarkowym w tej samej temperaturze.
Efekt zagęszczania jest szczególnie istotny w procesie zagęszczania kwasu siarkowego, gdzie stężenie kwasu wzrasta w miarę odparowywania wody. W rurach wymiennika ciepła na skoncentrowanym końcu układu występuje wyższe stężenie kwasu i większa szybkość degradacji niż w rurach na rozcieńczonym końcu.
Wpływ zanieczyszczeń utleniających
Szybkość degradacji jest przyspieszana przez utleniające zanieczyszczenia w kwasie siarkowym. Kwas azotowy, kwas chromowy i nadtlenek wodoru są powszechnymi zanieczyszczeniami, które zwiększają potencjał utleniający kwasu. Nawet kilka procent kwasu azotowego może zwiększyć szybkość degradacji od dwóch do trzech.
Zanieczyszczenia wpływają również na maksymalną dopuszczalną temperaturę ściany. W czystym kwasie siarkowym próg wynosi około 200 stopni. W kwasie siarkowym zawierającym 5% kwasu azotowego próg wynosi około 170 stopni. W kwasie siarkowym zawierającym 10% kwasu azotowego próg wynosi około 150 stopni.
Kwantyfikacja dopuszczalnej temperatury ściany
Poniższa tabela podsumowuje maksymalną dopuszczalną temperaturę ścian dla różnych warunków pracy kwasu siarkowego, w oparciu o wymagany okres użytkowania wynoszący 10 lat.
| Stężenie kwasu | Zanieczyszczenia utleniające | Maksymalna dopuszczalna temperatura ściany | Szybkość degradacji przy wartości granicznej | Zalecana grubość ścianki rury |
|---|---|---|---|---|
| 15% H₂SO₄ | Nic | 220 stopni | 0,05 mm/rok | 0,8 mm |
| 30% H₂SO₄ | Nic | 210 stopni | 0,06 mm/rok | 0,8 mm |
| 50% H₂SO₄ | Nic | 200 stopni | 0,07 mm/rok | 0,8 mm |
| 70% H₂SO₄ | Nic | 190 stopni | 0,08 mm/rok | 0,8 mm |
| 98% H₂SO₄ | Nic | 180 stopni | 0,10 mm/rok | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 170 stopni | 0,10 mm/rok | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 10% HNO₃ | 150 stopni | 0,12 mm/rok | 1,0 mm |
| 98% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 150 stopni | 0,15 mm/rok | 1,2 mm |
Maksymalne dopuszczalne wartości temperatury ścian zakładają wymagany okres użytkowania wynoszący 10 lat i minimalną dopuszczalną grubość ścianki wynoszącą 0,3 mm. Szybkość degradacji obliczono na podstawie danych terenowych uzyskanych z serwisu kwasu siarkowego i badań laboratoryjnych.
Interakcja naprężeń mechanicznych
Na maksymalną dopuszczalną temperaturę ścianki wpływa naprężenie mechaniczne rury. Połączenie naprężenia termicznego i naprężenia ciśnieniowego zmniejsza dopuszczalną temperaturę, ponieważ szybkość degradacji wzrasta wraz ze wzrostem naprężenia.
Naprężenia mechaniczne mają dwa skutki. Po pierwsze, naprężenie zwiększa szybkość dyfuzji kwasu do PTFE poprzez otwarcie amorficznych obszarów polimeru. Po drugie, naprężenie zmniejsza wytrzymałość mechaniczną rury, co zmniejsza dopuszczalną utratę ścianki przed pęknięciem.
Efekt naprężenia jest szczególnie ważny w przypadku połączeń rur-z-blachem rury, gdzie koncentracja naprężeń jest najwyższa. Maksymalna dopuszczalna temperatura ścianki na złączu jest zazwyczaj o 10–20 stopni niższa niż w korpusie rury.
Cechy konstrukcyjne zmniejszające temperaturę ściany
Kilka cech konstrukcyjnych zmniejsza temperaturę ścianki rury dla danego obciążenia cieplnego.
Większa powierzchnia.Większa powierzchnia zmniejsza strumień ciepła, co powoduje obniżenie temperatury ściany. Zwiększenie powierzchni o 50% zmniejsza strumień ciepła i temperaturę ściany o około 33%.
Cieńsza ścianka rury.Cieńsza ściana zmniejsza opór cieplny i temperaturę ściany przy tym samym strumieniu ciepła. Ściana o grubości 0,5 mm ma o połowę mniejszy opór cieplny niż ściana o grubości 1,0 mm.
Materiał rury o wyższej przewodności.Wypełniony związek PTFE o przewodności cieplnej 0,5 W/m·K ma o połowę mniejszy opór cieplny ścianek niż pierwotny PTFE.
Wyższa prędkość przepływu procesu.Wyższa prędkość przepływu zwiększa-współczynnik filmu po stronie procesu i obniża temperaturę ścianki.
Wyższa prędkość przepływu-po stronie serwisowej.Wyższa prędkość pary lub gorącej wody zwiększa-współczynnik filmu po stronie serwisowej i obniża temperaturę ścianki.
Nagłówek dystrybucji przepływu.Rozdzielacz przepływu zapewnia równomierny przepływ przez wiązkę rur, co zapobiega miejscowym powstawaniu gorących punktów.
Porównanie materiałów rur do stosowania-wysokotemperaturowego kwasu siarkowego
Poniższa tabela podsumowuje maksymalną dopuszczalną temperaturę ścianek i żywotność rur PTFE z różnych materiałów w 98% kwasie siarkowym przy strumieniu ciepła 1,5 W/cm².
| Materiał tuby | Przewodność cieplna | Temperatura ściany 1,5 W/cm² | Żywotność przy 180 stopniach | Żywotność w temperaturze 200 stopni | Żywotność w temperaturze 220 stopni |
|---|---|---|---|---|---|
| Dziewiczy PTFE | 0.25 W/m·K | 210 stopni | 10–15 lat | 5–8 lat | 2–3 lata |
| PTFE o wysokiej-krystaliczności | 0.26 W/m·K | 205 stopni | 12–18 lat | 6–10 lat | 3–4 lata |
| PTFE-wypełniony grafitem | 0.50 W/m·K | 165 stopni | 15–20 lat | 10–15 lat | 5–8 lat |
| PTFE-wypełniony węglem | 0.65 W/m·K | 150 stopni | 15–20 lat | 12–18 lat | 8–12 lat |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 stopni | 8–12 lat | 4–6 lat | 1–2 lata |
Wartości żywotności są szacunkowe na podstawie danych terenowych i testów laboratoryjnych. Rzeczywista żywotność będzie się różnić w zależności od składu chemicznego kwasu, naprężeń mechanicznych i praktyk operacyjnych.
Parametry specyfikacji usługi kwasu siarkowego
Inżynierowie zajmujący się sprzętem wybierający wymiennik ciepła PTFE do obsługi kwasu siarkowego powinni potwierdzić z dostawcą następujące parametry.
Stężenie kwasu.Określ maksymalne stężenie i oczekiwany zakres.
Zanieczyszczenia utleniające.Określ stężenie kwasu azotowego, kwasu chromowego, nadtlenku wodoru lub innych substancji utleniających.
Temperatura robocza.Określ maksymalną temperaturę roboczą i oczekiwany profil temperatury.
Obciążenie cieplne i powierzchnia.Określ obciążenie cieplne i wymaganą powierzchnię.
Strumień ciepła.Określ maksymalny dopuszczalny strumień ciepła w oparciu o limit temperatury ściany.
Grubość ścianki rury.Określ grubość ścianki rury w oparciu o strumień ciepła i dopuszczalną temperaturę ścianki.
Materiał tuby.Określ materiał rury na podstawie temperatury ścianki i szybkości degradacji.
Wymóg żywotności.Określ oczekiwany okres użytkowania i harmonogram wymiany.
Monitorowanie temperatury.Określ czujniki temperatury i metodę monitorowania temperatury ściany.
Dopasowanie temperatury ściany do wymagań dotyczących żywotności
Maksymalna dopuszczalna temperatura ścianek wymienników ciepła PTFE w środowisku kwasu siarkowego zależy od stężenia kwasu, zanieczyszczeń utleniających i wymaganej żywotności. Poniżej progu 180–200 stopni tempo degradacji jest powolne, a żywotność rury zależy od czynników mechanicznych. Powyżej progu szybkość degradacji wzrasta wykładniczo, a żywotność lampy gwałtownie spada wraz ze wzrostem temperatury.
Temperaturę ścian należy dobrać na podstawie wymagań dotyczących trwałości użytkowej i całkowitego kosztu posiadania. Niższa temperatura ścianki wymaga większej powierzchni lub materiału rury o wyższej przewodności, co zwiększa koszt inwestycyjny. Jednak niższa temperatura ścianki wydłuża żywotność lampy i zmniejsza koszty konserwacji.
W przypadku zakładów usługowych zajmujących się kwasem siarkowym oceniających opcje wymienników ciepła z PTFE, temperaturę ścian należy określić w dokumentach zamówienia i zweryfikować podczas odbioru. Domyślna konfiguracja dostarczona przez producenta może zostać zoptymalizowana pod kątem zwartości, a nie trwałości użytkowej, a wynikająca z tego temperatura ścianki może przekroczyć próg degradacji.
Inżynierowie sprzętu i specjaliści ds. zaopatrzenia oceniający specyfikacje wymienników ciepła PTFE pod kątem kwasu siarkowego lub innych substancji korozyjnych mogą poprosić o przegląd projektu obejmujący stężenie kwasu, zanieczyszczenia utleniające, temperaturę roboczą, strumień ciepła, grubość ścianki rury i materiał rury, aby potwierdzić, że urządzenie jest dopasowane do rzeczywistych warunków pracy i wymagań dotyczących żywotności obiektu.
Temperatura ściany określająca mechanizm degradacji
Linia do anodowania kwasem siarkowym działająca w temperaturze 20 stopni z 15% kwasem siarkowym wymaga wymiennika ciepła do chłodzenia. Temperatura ścianki rury jest zbliżona do temperatury procesu, ponieważ strumień ciepła jest niski, a woda chłodząca jest tylko o kilka stopni niższa od temperatury procesu. Rurka PTFE działa w temperaturze 20–25 stopni, czyli znacznie poniżej temperatury, w której uaktywnia się jakikolwiek mechanizm degradacji. Żywotność rury zależy od czynników mechanicznych, a żywotność wynosi 15–20 lat.
Zakład przetwarzania chemicznego koncentrujący kwas siarkowy w temperaturze 150 stopni wymaga wymiennika ciepła do ogrzewania. Temperatura ścianki rury zależy od strumienia ciepła i oporu cieplnego ścianki rury. Dla strumienia ciepła 2,0 W/cm² i ściany o grubości 0,8 mm temperatura ściany wynosi około 215 stopni. W tej temperaturze kwas siarkowy atakuje PTFE z mierzalną szybkością, a żywotność rury zależy raczej od degradacji chemicznej niż od czynników mechanicznych.
Próg temperatury ścianki pomiędzy tymi dwoma trybami wynosi około 180–200 stopni w przypadku pracy z kwasem siarkowym. Poniżej tego progu tempo degradacji jest powolne, a żywotność lampy zależy od czynników mechanicznych. Powyżej tego progu szybkość degradacji gwałtownie wzrasta, a żywotność lampy maleje wraz ze wzrostem temperatury.
Mechanizm degradacji chemicznej powyżej progu
Degradacja PTFE w gorącym kwasie siarkowym zachodzi poprzez utlenianie amorficznych obszarów polimeru. Kwas siarkowy, szczególnie w wysokim stężeniu, jest silnym utleniaczem w podwyższonej temperaturze. Kwas atakuje końce łańcuchów i miejsca defektów w obszarach amorficznych, rozrywając łańcuchy polimeru i tworząc mniejsze fragmenty, które rozpuszczają się lub są porywane przez płyn procesowy.
Szybkość degradacji wzrasta wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury. Wzrost temperatury o 10 stopni w przybliżeniu podwaja szybkość degradacji. Różnica między 180 stopniami a 220 stopniami jest 16-krotnym współczynnikiem szybkości degradacji.
Degradacja nie jest równomierna na ściance rury. Atak rozpoczyna się na powierzchni i rozprzestrzenia się do wewnątrz. Powierzchnia staje się szorstka i porowata, a wytrzymałość mechaniczna maleje. Z biegiem czasu ścianka rurki staje się cieńsza i ostatecznie rurka pęka.
Wpływ stężenia kwasu
Szybkość degradacji zależy od stężenia kwasu siarkowego. Rozcieńczony kwas siarkowy (poniżej 50%) ma niższy potencjał utleniający niż kwas stężony (powyżej 90%). Szybkość degradacji w 50% kwasie siarkowym w temperaturze 200 stopni jest w przybliżeniu o połowę mniejsza niż w 98% kwasie siarkowym w tej samej temperaturze.
Efekt zagęszczania jest szczególnie istotny w procesie zagęszczania kwasu siarkowego, gdzie stężenie kwasu wzrasta w miarę odparowywania wody. W rurach wymiennika ciepła na skoncentrowanym końcu układu występuje wyższe stężenie kwasu i większa szybkość degradacji niż w rurach na rozcieńczonym końcu.
Wpływ zanieczyszczeń utleniających
Szybkość degradacji jest przyspieszana przez utleniające zanieczyszczenia w kwasie siarkowym. Kwas azotowy, kwas chromowy i nadtlenek wodoru są powszechnymi zanieczyszczeniami, które zwiększają potencjał utleniający kwasu. Nawet kilka procent kwasu azotowego może zwiększyć szybkość degradacji od dwóch do trzech.
Zanieczyszczenia wpływają również na maksymalną dopuszczalną temperaturę ściany. W czystym kwasie siarkowym próg wynosi około 200 stopni. W kwasie siarkowym zawierającym 5% kwasu azotowego próg wynosi około 170 stopni. W kwasie siarkowym zawierającym 10% kwasu azotowego próg wynosi około 150 stopni.
Kwantyfikacja dopuszczalnej temperatury ściany
Poniższa tabela podsumowuje maksymalną dopuszczalną temperaturę ścian dla różnych warunków pracy kwasu siarkowego, w oparciu o wymagany okres użytkowania wynoszący 10 lat.
| Stężenie kwasu | Zanieczyszczenia utleniające | Maksymalna dopuszczalna temperatura ściany | Szybkość degradacji przy wartości granicznej | Zalecana grubość ścianki rury |
|---|---|---|---|---|
| 15% H₂SO₄ | Nic | 220 stopni | 0,05 mm/rok | 0,8 mm |
| 30% H₂SO₄ | Nic | 210 stopni | 0,06 mm/rok | 0,8 mm |
| 50% H₂SO₄ | Nic | 200 stopni | 0,07 mm/rok | 0,8 mm |
| 70% H₂SO₄ | Nic | 190 stopni | 0,08 mm/rok | 0,8 mm |
| 98% H₂SO₄ | Nic | 180 stopni | 0,10 mm/rok | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 170 stopni | 0,10 mm/rok | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 10% HNO₃ | 150 stopni | 0,12 mm/rok | 1,0 mm |
| 98% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 150 stopni | 0,15 mm/rok | 1,2 mm |
Maksymalne dopuszczalne wartości temperatury ścian zakładają wymagany okres użytkowania wynoszący 10 lat i minimalną dopuszczalną grubość ścianki wynoszącą 0,3 mm. Szybkość degradacji obliczono na podstawie danych terenowych uzyskanych z serwisu kwasu siarkowego i badań laboratoryjnych.
Interakcja naprężeń mechanicznych
Na maksymalną dopuszczalną temperaturę ścianki wpływa naprężenie mechaniczne rury. Połączenie naprężenia termicznego i naprężenia ciśnieniowego zmniejsza dopuszczalną temperaturę, ponieważ szybkość degradacji wzrasta wraz ze wzrostem naprężenia.
Naprężenia mechaniczne mają dwa skutki. Po pierwsze, naprężenie zwiększa szybkość dyfuzji kwasu do PTFE poprzez otwarcie amorficznych obszarów polimeru. Po drugie, naprężenie zmniejsza wytrzymałość mechaniczną rury, co zmniejsza dopuszczalną utratę ścianki przed pęknięciem.
Efekt naprężenia jest szczególnie ważny w przypadku połączeń rur-z-blachem rury, gdzie koncentracja naprężeń jest najwyższa. Maksymalna dopuszczalna temperatura ścianki na złączu jest zazwyczaj o 10–20 stopni niższa niż w korpusie rury.
Cechy konstrukcyjne zmniejszające temperaturę ściany
Kilka cech konstrukcyjnych zmniejsza temperaturę ścianki rury dla danego obciążenia cieplnego.
Większa powierzchnia.Większa powierzchnia zmniejsza strumień ciepła, co powoduje obniżenie temperatury ściany. Zwiększenie powierzchni o 50% zmniejsza strumień ciepła i temperaturę ściany o około 33%.
Cieńsza ścianka rury.Cieńsza ściana zmniejsza opór cieplny i temperaturę ściany przy tym samym strumieniu ciepła. Ściana o grubości 0,5 mm ma o połowę mniejszy opór cieplny niż ściana o grubości 1,0 mm.
Materiał rury o wyższej przewodności.Wypełniony związek PTFE o przewodności cieplnej 0,5 W/m·K ma o połowę mniejszy opór cieplny ścianek niż pierwotny PTFE.
Wyższa prędkość przepływu procesu.Wyższa prędkość przepływu zwiększa-współczynnik filmu po stronie procesu i obniża temperaturę ścianki.
Wyższa prędkość przepływu-po stronie serwisowej.Wyższa prędkość pary lub gorącej wody zwiększa-współczynnik filmu po stronie serwisowej i obniża temperaturę ścianki.
Nagłówek dystrybucji przepływu.Rozdzielacz przepływu zapewnia równomierny przepływ przez wiązkę rur, co zapobiega miejscowym powstawaniu gorących punktów.
Porównanie materiałów rur do stosowania-wysokotemperaturowego kwasu siarkowego
Poniższa tabela podsumowuje maksymalną dopuszczalną temperaturę ścianek i żywotność rur PTFE z różnych materiałów w 98% kwasie siarkowym przy strumieniu ciepła 1,5 W/cm².
| Materiał tuby | Przewodność cieplna | Temperatura ściany 1,5 W/cm² | Żywotność przy 180 stopniach | Żywotność w temperaturze 200 stopni | Żywotność w temperaturze 220 stopni |
|---|---|---|---|---|---|
| Dziewiczy PTFE | 0.25 W/m·K | 210 stopni | 10–15 lat | 5–8 lat | 2–3 lata |
| PTFE o wysokiej-krystaliczności | 0.26 W/m·K | 205 stopni | 12–18 lat | 6–10 lat | 3–4 lata |
| PTFE-wypełniony grafitem | 0.50 W/m·K | 165 stopni | 15–20 lat | 10–15 lat | 5–8 lat |
| PTFE-wypełniony węglem | 0.65 W/m·K | 150 stopni | 15–20 lat | 12–18 lat | 8–12 lat |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 stopni | 8–12 lat | 4–6 lat | 1–2 lata |
Wartości żywotności są szacunkowe na podstawie danych terenowych i testów laboratoryjnych. Rzeczywista żywotność będzie się różnić w zależności od składu chemicznego kwasu, naprężeń mechanicznych i praktyk operacyjnych.
Parametry specyfikacji usługi kwasu siarkowego
Inżynierowie zajmujący się sprzętem wybierający wymiennik ciepła PTFE do obsługi kwasu siarkowego powinni potwierdzić z dostawcą następujące parametry.
Stężenie kwasu.Określ maksymalne stężenie i oczekiwany zakres.
Zanieczyszczenia utleniające.Określ stężenie kwasu azotowego, kwasu chromowego, nadtlenku wodoru lub innych substancji utleniających.
Temperatura robocza.Określ maksymalną temperaturę roboczą i oczekiwany profil temperatury.
Obciążenie cieplne i powierzchnia.Określ obciążenie cieplne i wymaganą powierzchnię.
Strumień ciepła.Określ maksymalny dopuszczalny strumień ciepła w oparciu o limit temperatury ściany.
Grubość ścianki rury.Określ grubość ścianki rury w oparciu o strumień ciepła i dopuszczalną temperaturę ścianki.
Materiał tuby.Określ materiał rury na podstawie temperatury ścianki i szybkości degradacji.
Wymóg żywotności.Określ oczekiwany okres użytkowania i harmonogram wymiany.
Monitorowanie temperatury.Określ czujniki temperatury i metodę monitorowania temperatury ściany.
Dopasowanie temperatury ściany do wymagań dotyczących żywotności
Maksymalna dopuszczalna temperatura ścianek wymienników ciepła PTFE w środowisku kwasu siarkowego zależy od stężenia kwasu, zanieczyszczeń utleniających i wymaganej żywotności. Poniżej progu 180–200 stopni tempo degradacji jest powolne, a żywotność rury zależy od czynników mechanicznych. Powyżej progu szybkość degradacji wzrasta wykładniczo, a żywotność lampy gwałtownie spada wraz ze wzrostem temperatury.
Temperaturę ścian należy dobrać na podstawie wymagań dotyczących trwałości użytkowej i całkowitego kosztu posiadania. Niższa temperatura ścianki wymaga większej powierzchni lub materiału rury o wyższej przewodności, co zwiększa koszt inwestycyjny. Jednak niższa temperatura ścianki wydłuża żywotność lampy i zmniejsza koszty konserwacji.
W przypadku zakładów usługowych zajmujących się kwasem siarkowym oceniających opcje wymienników ciepła z PTFE, temperaturę ścian należy określić w dokumentach zamówienia i zweryfikować podczas odbioru. Domyślna konfiguracja dostarczona przez producenta może zostać zoptymalizowana pod kątem zwartości, a nie trwałości użytkowej, a wynikająca z tego temperatura ścianki może przekroczyć próg degradacji.
Inżynierowie sprzętu i specjaliści ds. zaopatrzenia oceniający specyfikacje wymienników ciepła PTFE pod kątem kwasu siarkowego lub innych substancji korozyjnych mogą poprosić o przegląd projektu obejmujący stężenie kwasu, zanieczyszczenia utleniające, temperaturę roboczą, strumień ciepła, grubość ścianki rury i materiał rury, aby potwierdzić, że urządzenie jest dopasowane do rzeczywistych warunków pracy i wymagań dotyczących żywotności obiektu.
Temperatura ściany określająca mechanizm degradacji
Linia do anodowania kwasem siarkowym działająca w temperaturze 20 stopni z 15% kwasem siarkowym wymaga wymiennika ciepła do chłodzenia. Temperatura ścianki rury jest zbliżona do temperatury procesu, ponieważ strumień ciepła jest niski, a woda chłodząca jest tylko o kilka stopni niższa od temperatury procesu. Rurka PTFE działa w temperaturze 20–25 stopni, czyli znacznie poniżej temperatury, w której uaktywnia się jakikolwiek mechanizm degradacji. Żywotność rury zależy od czynników mechanicznych, a żywotność wynosi 15–20 lat.
Zakład przetwarzania chemicznego koncentrujący kwas siarkowy w temperaturze 150 stopni wymaga wymiennika ciepła do ogrzewania. Temperatura ścianki rury zależy od strumienia ciepła i oporu cieplnego ścianki rury. Dla strumienia ciepła 2,0 W/cm² i ściany o grubości 0,8 mm temperatura ściany wynosi około 215 stopni. W tej temperaturze kwas siarkowy atakuje PTFE z mierzalną szybkością, a żywotność rury zależy raczej od degradacji chemicznej niż od czynników mechanicznych.
Próg temperatury ścianki pomiędzy tymi dwoma trybami wynosi około 180–200 stopni w przypadku pracy z kwasem siarkowym. Poniżej tego progu tempo degradacji jest powolne, a żywotność lampy zależy od czynników mechanicznych. Powyżej tego progu szybkość degradacji gwałtownie wzrasta, a żywotność lampy maleje wraz ze wzrostem temperatury.
Mechanizm degradacji chemicznej powyżej progu
Degradacja PTFE w gorącym kwasie siarkowym zachodzi poprzez utlenianie amorficznych obszarów polimeru. Kwas siarkowy, szczególnie w wysokim stężeniu, jest silnym utleniaczem w podwyższonej temperaturze. Kwas atakuje końce łańcuchów i miejsca defektów w obszarach amorficznych, rozrywając łańcuchy polimeru i tworząc mniejsze fragmenty, które rozpuszczają się lub są porywane przez płyn procesowy.
Szybkość degradacji wzrasta wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury. Wzrost temperatury o 10 stopni w przybliżeniu podwaja szybkość degradacji. Różnica między 180 stopniami a 220 stopniami jest 16-krotnym współczynnikiem szybkości degradacji.
Degradacja nie jest równomierna na ściance rury. Atak rozpoczyna się na powierzchni i rozprzestrzenia się do wewnątrz. Powierzchnia staje się szorstka i porowata, a wytrzymałość mechaniczna maleje. Z biegiem czasu ścianka rurki staje się cieńsza i ostatecznie rurka pęka.
Wpływ stężenia kwasu
Szybkość degradacji zależy od stężenia kwasu siarkowego. Rozcieńczony kwas siarkowy (poniżej 50%) ma niższy potencjał utleniający niż kwas stężony (powyżej 90%). Szybkość degradacji w 50% kwasie siarkowym w temperaturze 200 stopni jest w przybliżeniu o połowę mniejsza niż w 98% kwasie siarkowym w tej samej temperaturze.
Efekt zagęszczania jest szczególnie istotny w procesie zagęszczania kwasu siarkowego, gdzie stężenie kwasu wzrasta w miarę odparowywania wody. W rurach wymiennika ciepła na skoncentrowanym końcu układu występuje wyższe stężenie kwasu i większa szybkość degradacji niż w rurach na rozcieńczonym końcu.
Wpływ zanieczyszczeń utleniających
Szybkość degradacji jest przyspieszana przez utleniające zanieczyszczenia w kwasie siarkowym. Kwas azotowy, kwas chromowy i nadtlenek wodoru są powszechnymi zanieczyszczeniami, które zwiększają potencjał utleniający kwasu. Nawet kilka procent kwasu azotowego może zwiększyć szybkość degradacji od dwóch do trzech.
Zanieczyszczenia wpływają również na maksymalną dopuszczalną temperaturę ściany. W czystym kwasie siarkowym próg wynosi około 200 stopni. W kwasie siarkowym zawierającym 5% kwasu azotowego próg wynosi około 170 stopni. W kwasie siarkowym zawierającym 10% kwasu azotowego próg wynosi około 150 stopni.
Kwantyfikacja dopuszczalnej temperatury ściany
Poniższa tabela podsumowuje maksymalną dopuszczalną temperaturę ścian dla różnych warunków pracy kwasu siarkowego, w oparciu o wymagany okres użytkowania wynoszący 10 lat.
| Stężenie kwasu | Zanieczyszczenia utleniające | Maksymalna dopuszczalna temperatura ściany | Szybkość degradacji przy wartości granicznej | Zalecana grubość ścianki rury |
|---|---|---|---|---|
| 15% H₂SO₄ | Nic | 220 stopni | 0,05 mm/rok | 0,8 mm |
| 30% H₂SO₄ | Nic | 210 stopni | 0,06 mm/rok | 0,8 mm |
| 50% H₂SO₄ | Nic | 200 stopni | 0,07 mm/rok | 0,8 mm |
| 70% H₂SO₄ | Nic | 190 stopni | 0,08 mm/rok | 0,8 mm |
| 98% H₂SO₄ | Nic | 180 stopni | 0,10 mm/rok | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 170 stopni | 0,10 mm/rok | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 10% HNO₃ | 150 stopni | 0,12 mm/rok | 1,0 mm |
| 98% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 150 stopni | 0,15 mm/rok | 1,2 mm |
Maksymalne dopuszczalne wartości temperatury ścian zakładają wymagany okres użytkowania wynoszący 10 lat i minimalną dopuszczalną grubość ścianki wynoszącą 0,3 mm. Szybkość degradacji obliczono na podstawie danych terenowych uzyskanych z serwisu kwasu siarkowego i badań laboratoryjnych.
Interakcja naprężeń mechanicznych
Na maksymalną dopuszczalną temperaturę ścianki wpływa naprężenie mechaniczne rury. Połączenie naprężenia termicznego i naprężenia ciśnieniowego zmniejsza dopuszczalną temperaturę, ponieważ szybkość degradacji wzrasta wraz ze wzrostem naprężenia.
Naprężenia mechaniczne mają dwa skutki. Po pierwsze, naprężenie zwiększa szybkość dyfuzji kwasu do PTFE poprzez otwarcie amorficznych obszarów polimeru. Po drugie, naprężenie zmniejsza wytrzymałość mechaniczną rury, co zmniejsza dopuszczalną utratę ścianki przed pęknięciem.
Efekt naprężenia jest szczególnie ważny w przypadku połączeń rur-z-blachem rury, gdzie koncentracja naprężeń jest najwyższa. Maksymalna dopuszczalna temperatura ścianki na złączu jest zazwyczaj o 10–20 stopni niższa niż w korpusie rury.
Cechy konstrukcyjne zmniejszające temperaturę ściany
Kilka cech konstrukcyjnych zmniejsza temperaturę ścianki rury dla danego obciążenia cieplnego.
Większa powierzchnia.Większa powierzchnia zmniejsza strumień ciepła, co powoduje obniżenie temperatury ściany. Zwiększenie powierzchni o 50% zmniejsza strumień ciepła i temperaturę ściany o około 33%.
Cieńsza ścianka rury.Cieńsza ściana zmniejsza opór cieplny i temperaturę ściany przy tym samym strumieniu ciepła. Ściana o grubości 0,5 mm ma o połowę mniejszy opór cieplny niż ściana o grubości 1,0 mm.
Materiał rury o wyższej przewodności.Wypełniony związek PTFE o przewodności cieplnej 0,5 W/m·K ma o połowę mniejszy opór cieplny ścianek niż pierwotny PTFE.
Wyższa prędkość przepływu procesu.Wyższa prędkość przepływu zwiększa-współczynnik filmu po stronie procesu i obniża temperaturę ścianki.
Wyższa prędkość przepływu-po stronie serwisowej.Wyższa prędkość pary lub gorącej wody zwiększa-współczynnik filmu po stronie serwisowej i obniża temperaturę ścianki.
Nagłówek dystrybucji przepływu.Rozdzielacz przepływu zapewnia równomierny przepływ przez wiązkę rur, co zapobiega miejscowym powstawaniu gorących punktów.
Porównanie materiałów rur do stosowania-wysokotemperaturowego kwasu siarkowego
Poniższa tabela podsumowuje maksymalną dopuszczalną temperaturę ścianek i żywotność rur PTFE z różnych materiałów w 98% kwasie siarkowym przy strumieniu ciepła 1,5 W/cm².
| Materiał tuby | Przewodność cieplna | Temperatura ściany 1,5 W/cm² | Żywotność przy 180 stopniach | Żywotność w temperaturze 200 stopni | Żywotność w temperaturze 220 stopni |
|---|---|---|---|---|---|
| Dziewiczy PTFE | 0.25 W/m·K | 210 stopni | 10–15 lat | 5–8 lat | 2–3 lata |
| PTFE o wysokiej-krystaliczności | 0.26 W/m·K | 205 stopni | 12–18 lat | 6–10 lat | 3–4 lata |
| PTFE-wypełniony grafitem | 0.50 W/m·K | 165 stopni | 15–20 lat | 10–15 lat | 5–8 lat |
| PTFE-wypełniony węglem | 0.65 W/m·K | 150 stopni | 15–20 lat | 12–18 lat | 8–12 lat |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 stopni | 8–12 lat | 4–6 lat | 1–2 lata |
Wartości żywotności są szacunkowe na podstawie danych terenowych i testów laboratoryjnych. Rzeczywista żywotność będzie się różnić w zależności od składu chemicznego kwasu, naprężeń mechanicznych i praktyk operacyjnych.
Parametry specyfikacji usługi kwasu siarkowego
Inżynierowie zajmujący się sprzętem wybierający wymiennik ciepła PTFE do obsługi kwasu siarkowego powinni potwierdzić z dostawcą następujące parametry.
Stężenie kwasu.Określ maksymalne stężenie i oczekiwany zakres.
Zanieczyszczenia utleniające.Określ stężenie kwasu azotowego, kwasu chromowego, nadtlenku wodoru lub innych substancji utleniających.
Temperatura robocza.Określ maksymalną temperaturę roboczą i oczekiwany profil temperatury.
Obciążenie cieplne i powierzchnia.Określ obciążenie cieplne i wymaganą powierzchnię.
Strumień ciepła.Określ maksymalny dopuszczalny strumień ciepła w oparciu o limit temperatury ściany.
Grubość ścianki rury.Określ grubość ścianki rury w oparciu o strumień ciepła i dopuszczalną temperaturę ścianki.
Materiał tuby.Określ materiał rury na podstawie temperatury ścianki i szybkości degradacji.
Wymóg żywotności.Określ oczekiwany okres użytkowania i harmonogram wymiany.
Monitorowanie temperatury.Określ czujniki temperatury i metodę monitorowania temperatury ściany.
Dopasowanie temperatury ściany do wymagań dotyczących żywotności
Maksymalna dopuszczalna temperatura ścianek wymienników ciepła PTFE w środowisku kwasu siarkowego zależy od stężenia kwasu, zanieczyszczeń utleniających i wymaganej żywotności. Poniżej progu 180–200 stopni tempo degradacji jest powolne, a żywotność rury zależy od czynników mechanicznych. Powyżej progu szybkość degradacji wzrasta wykładniczo, a żywotność lampy gwałtownie spada wraz ze wzrostem temperatury.
Temperaturę ścian należy dobrać na podstawie wymagań dotyczących trwałości użytkowej i całkowitego kosztu posiadania. Niższa temperatura ścianki wymaga większej powierzchni lub materiału rury o wyższej przewodności, co zwiększa koszt inwestycyjny. Jednak niższa temperatura ścianki wydłuża żywotność lampy i zmniejsza koszty konserwacji.
W przypadku zakładów usługowych zajmujących się kwasem siarkowym oceniających opcje wymienników ciepła z PTFE, temperaturę ścian należy określić w dokumentach zamówienia i zweryfikować podczas odbioru. Domyślna konfiguracja dostarczona przez producenta może zostać zoptymalizowana pod kątem zwartości, a nie trwałości użytkowej, a wynikająca z tego temperatura ścianki może przekroczyć próg degradacji.
Inżynierowie sprzętu i specjaliści ds. zaopatrzenia oceniający specyfikacje wymienników ciepła PTFE pod kątem kwasu siarkowego lub innych substancji korozyjnych mogą poprosić o przegląd projektu obejmujący stężenie kwasu, zanieczyszczenia utleniające, temperaturę roboczą, strumień ciepła, grubość ścianki rury i materiał rury, aby potwierdzić, że urządzenie jest dopasowane do rzeczywistych warunków pracy i wymagań dotyczących żywotności obiektu.
