Tradycyjny materiał
Ołów jest używany w kwasie siarkowym od ponad stulecia. Jego odporność na kwas siarkowy wynika z tworzenia ochronnego filmu z siarczanu ołowiu, który jest nierozpuszczalny w kwasie. Rury miedziane-powlekane ołowiem-z powłoką ołowianą metalurgicznie połączoną z zewnętrzną częścią-łączą w sobie odporność na korozję ołowiu z przewodnością cieplną miedzi. Przez dziesięciolecia był to standardowy materiał wymiennika ciepła w kąpielach trawiących kwasem siarkowym.
Wiele z tych-wymienników miedzianych ołowianych jest nadal w użyciu. Są one wymieniane w przypadku awarii, a PTFE jest coraz częściej materiałem zastępczym. Pytanie nie brzmi, czy przez jakiś czas-miedź powlekana ołowiem-działa-ale tak. Pytanie brzmi, jak jego mechanizmy awarii i żywotność mają się do PTFE w nowoczesnych operacjach trawienia.
Erozja-Mechanizm korozji
Ołów jest miękki. Jego twardość w skali Brinella wynosi około 4-5 HB, w porównaniu do 35-50 HB dla miedzi i 120-180 HB dla stali nierdzewnej. W kąpieli trawiącej z cyrkulacją roztworu przepływający kwas w sposób ciągły powoduje erozję warstwy ochronnej siarczanu ołowiu. Folia odnawia się, ale każdy cykl erozji i reformacji zużywa niewielką ilość ołowiu.
W obszarach o dużej prędkości przepływu-w pobliżu wylotów pomp obiegowych, dysz ssących lub rur powietrznych-szybkość erozji wzrasta. Ołowiana osłona staje się cieńsza w tych miejscach. Po latach eksploatacji powłoka może się rozrzedzić do tego stopnia, że odsłonięta zostanie miedź znajdująca się pod spodem.
Gdy miedź zetknie się z kwasem siarkowym, ulega szybkiej korozji wraz z wydzielaniem się wodoru. Rozpuszczanie miedzi podważa sąsiednią osłonę ołowianą. Niepowodzenie spada kaskadą. Niewielkie pęknięcie spowodowane erozją przekształca się w poważny wyciek.
PTFE nie posiada warstwy ochronnej, która mogłaby ulec erozji. Materiał jest jednorodny; jego powierzchnia stanowi jego masę. Ścieranie wskutek przepływu może powoli zużywać powierzchnię, ale tempo jest o rząd wielkości mniejsze niż w przypadku erozji-ołowiu. Rury PTFE podczas trawienia wykazują znikomą utratę ścianek po dziesięciu latach ciągłego narażenia na przepływ.
Tabela 1: Porównanie żywotności przy wytrawianiu 15% H₂SO₄ w temperaturze 70 stopni
| Parametr wydajności | Ołów-Miedź powlekana | PTFE |
|---|---|---|
| Mechanizm zabezpieczający przed korozją | Folia pasywna PbSO₄ | Wrodzona stabilność wiązania C-F |
| Szybkość erozji filmu w krążącym kwasie (µm/rok) | 10-50 (zależne od prędkości) | 0 (bez filmu) |
| Ryzyko narażenia na metale nieszlachetne | Tak (w miejscach erozji) | Brak (bez metalu nieszlachetnego) |
| Przewodność cieplna (W/m·K) | ~40 (kompozyt) | 0.25 |
| Odporność na cykle termiczne | Słaby (pełzanie-ołowiu; degradacja interfejsu miedzianego-ołowiu) | Doskonały |
| Żywotność przy ciągłym trawieniu | 3-7 lat | 15+ lat |
| Metoda naprawy | Nie podlega naprawie (tylko wymiana) | Wymiana wtyczki polowej lub rurki |
| Kwestie środowiskowe/obsługowe | Ołów jest toksyczny; utylizacja regulowana | Obojętny; utylizacja nieszkodliwa- |
Problem termicznego zmęczenia cyklicznego
Kąpiele trawiące często działają w cyklu dziennym lub tygodniowym: podgrzewane do 70 stopni podczas produkcji, schładzane do temperatury otoczenia podczas przestoju. Każdy cykl powoduje rozszerzanie i kurczenie się ciepła na wymienniku ciepła.
Ołów i miedź mają znacznie różne współczynniki rozszerzalności cieplnej: ołów 29 × 10⁻⁶/stopień, miedź 17 × 10⁻⁶/stopień. Podczas ogrzewania osłona ołowiana rozszerza się bardziej niż rdzeń miedziany. Podczas chłodzenia kurczy się bardziej. Ruch różnicowy powoduje naprężenie ścinające na styku wiązania metalurgicznego.
W ciągu setek cykli termicznych powierzchnia styku ulega zmęczeniu. Pomiędzy ołowiem i miedzią powstają małe separacje. Oddzielenia zmniejszają przenikanie ciepła-szczelina, nawet mikroskopijna, zwiększa opór cieplny. Tworzą również zamknięte strefy, w których kwas może wniknąć i bezpośrednio zaatakować miedź, przyspieszając proces awarii.
Rurki PTFE są jednorodne-nie ma żadnego interfejsu, który można by oddzielić. Rozszerzalność cieplna jest kompensowana przez sprężyste odkształcenie całej ścianki rury. Nie powstają żadne naprężenia różnicowe. W normalnych temperaturach trawienia nie występuje żaden mechanizm zmęczeniowy.
Czynnik środowiskowy i bezpieczeństwa
Ołów jest metalem toksycznym. Jego zastosowanie w urządzeniach przemysłowych jest coraz bardziej ograniczane przez przepisy dotyczące ochrony środowiska i higieny pracy. Utylizacja zużytych wymienników miedzianych{{2}pokrytych ołowiem wymaga postępowania z odpadami niebezpiecznymi, ich manifestacji i licencjonowanego przetwarzania. Koszt utylizacji zwiększa całkowity koszt cyklu życia.
PTFE jest nie-toksyczny i chemicznie obojętny. Utylizację-wycofanego-z życia należy traktować jako-niebezpieczny odpad przemysłowy. Nie jest wymagane żadne specjalne postępowanie, manifestacja ani leczenie. To rozróżnienie, choć nie jest głównym czynnikiem technicznym, wpisuje się w trend zmierzający do eliminacji materiałów toksycznych z procesów przemysłowych.
Streszczenie
Wymienniki ciepła PTFE są trwalsze od miedzi pokrytej ołowiem-w procesie trawienia kwasem siarkowym, ponieważ PTFE eliminuje erozję-korozję warstwy ochronnej ołowiu, zmęczenie cieplne styku ołowiu-miedź i postępujące tryby awarii nieodłącznie związane z powlekanymi konstrukcjami metalowymi. Miedź powlekana ołowiem-spełniała swoją funkcję przez stulecie, ale jej okres użytkowania wynoszący 3–7 lat, brak możliwości naprawy w terenie i wymagania dotyczące usuwania substancji toksycznych sprawiają, że jest ona gorsza pod względem ekonomicznym i środowiskowym od PTFE w nowoczesnych operacjach trawienia.
Przejście z miedzi-powlekanej ołowiem na PTFE wynika z dłuższej żywotności, możliwości naprawy w terenie i eliminacji obsługi materiałów toksycznych. Większy ślad PTFE wymagany do równoważnego obciążenia cieplnego to jedyny kompromis-w tej konwersji.
Analiza techniczna modernizacji wymiennika ciepła z kąpielą trawiącą jest dostępna po przedstawieniu stężenia kwasu, temperatury roboczej, charakterystyki przepływu cyrkulacyjnego oraz aktualnego okresu użytkowania i historii awarii wymiennika.
