Koncentrisana kaustična sredina
Natrijum hidroksid iznad 50% koncentracije na povišenoj temperaturi jedna je od najagresivnijih industrijskih hemikalija. Otapa staklo, napada većinu metala kroz kaustičnu koroziju pod naponom ili jednolično otapanje i razgrađuje mnoge polimere alkalnom hidrolizom. Kombinacija visokog pH (14+), povišene temperature i snažnog nukleofilnog hidroksidnog jona čini odabir materijala izuzetno ograničenim.
Aluminij keramika (aluminij oksid, Al₂O₃) je jedan od rijetkih materijala sa korisnom otpornošću na vruće koncentrirane kaustike. Njegova jonska-kovalentna veza i gusta mikrostruktura obezbjeđuju hemijsku stabilnost u alkalnim sredinama gdje metali i stakla ne uspijevaju. Izmjenjivači topline glinice služe u specijaliziranim aplikacijama za kaustičnu obradu.
PTFE je univerzalno otporan na natrijum hidroksid pri svim koncentracijama i temperaturama do 260 stepeni. Poređenje sa glinicom je između keramike koja je otporna na kaustiku kroz termodinamičku stabilnost oksida i polimera koji je inherentno imun na alkalni napad.
Mehanizam rastvaranja glinice
Aluminij nije potpuno inertan prema natrijum hidroksidu. Pri visokim koncentracijama i povišenim temperaturama dolazi do spore hemijske reakcije:
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2NaAl(OH)₄
Produkt natrijum aluminata je rastvorljiv i rastvara se u kaustičnom rastvoru. Površina glinice se progresivno urezuje. Brzina rastvaranja jako ovisi o temperaturi i koncentraciji kaustike.
Na 50% NaOH i 100 stepeni, stopa rastvaranja glinice visoke -čistoće (99,7%) je približno 0,02-0,05 mm/god. Ova stopa je dovoljno niska za industrijske usluge, ali nije nula. Tokom 10-godišnjeg vijeka trajanja gubi se 0,2-0,5 mm površine. Cijevi izmjenjivača topline od glinice moraju imati dodatak za koroziju u debljini zida.
Otapanje je rijetko savršeno ravnomjerno. Aluminijska keramika je polikristalna, a granice zrna se jetkaju nešto brže od unutrašnjosti zrna. Vremenom se povećava hrapavost površine. Ohrapava površina pruža mjesta nukleacije za taloženje kaustične soli, što može dovesti do lokaliziranog napada -nanosa.
Tabela 1: Poređenje koncentriranog kaustičnog otpora (50% NaOH)
| Parametar otpora | Aluminijum keramika (99,7% Al₂O₃) | PTFE |
|---|---|---|
| Mehanizam korozije | Hemijsko otapanje (Al₂O₃ → NaAl(OH)₄) | Nema |
| Brzina rastvaranja na 100 stepeni (mm/god.) | 0.02-0.05 | 0 |
| Brzina rastvaranja na 150 stepeni (mm/god.) | 0.10-0.30 | 0 |
| Temperaturna granica u 50% NaOH (stepen) | ~150 (ubrzano otapanje iznad) | 260 |
| Hrapavost površine s vremenom | Da (urezivanje granica zrna) | br |
| Podložnost termičkom šoku | Umjereno (krhkost keramike) | Nema |
| Toplotna provodljivost (W/m·K) | 25-35 | 0.25 |
| Način mehaničkog kvara | Krhki prelom | Duktilno puzanje |
| Složenost izrade | Visoka (specijalizirana obrada keramike) | Umjereno |
Ranjivost na termalni šok
Keramika od glinice, kao i svaka keramika, je krta. Njegova otpornost na termički udar je ograničena kombinacijom umjerenog koeficijenta toplinskog širenja (8 × 10⁻⁶/stepen) i visokog modula elastičnosti (350 GPa). Brze promjene temperature stvaraju termička naprezanja koja mogu slomiti keramiku.
U kaustičkoj obradi dolazi do temperaturnih odstupanja tokom pokretanja, gašenja i poremećaja procesa. Hladni kaustik uveden u vrući izmjenjivač glinice, ili vrući kaustik u hladan izmjenjivač, stvara toplinske gradijente koji mogu lomiti cijevi. Vjerojatnost loma ovisi o veličini i brzini promjene temperature, te o prisustvu površinskih defekata od proizvodnje ili servisiranja.
PTFE je imun na termalni šok. Njegov nizak modul elastičnosti omogućava mu da se prilagodi brzim promjenama temperature kroz elastičnu deformaciju. Ne postoji mehanizam loma pri normalnim stopama promjene temperature procesa.
Prijenos topline i otisak otiska-off
Toplotna provodljivost glinice od 25-35 W/m·K je približno 100-140 puta veća od PTFE-a od 0,25 W/m·K. Izmjenjivač topline od glinice je dramatično kompaktniji za isti toplinski rad. U instalacijama sa ograničenim prostorom, ovo je značajna prednost.
PTFE zahtijeva 3-4 puta veću površinu, što rezultira većim fizičkim otiskom. Izbor između glinice i PTFE često zavisi od toga da li prostor za instalaciju može da primi veći PTFE izmjenjivač. Tamo gdje je prostor dostupan, apsolutna otpornost PTFE-a na kaustično otapanje i lom termičkog šoka predstavlja rješenje nižeg rizika.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline su imuni na natrijum hidroksid pri svim koncentracijama i temperaturama do 260 stepeni. Keramika od glinice je dobro otporna na kaustiku, ali se podvrgava sporom otapanju koje troši debljinu zida i vremenom hrapava površine. Glinica je također osjetljiva na lomove termičkog šoka zbog temperaturnih promjena, rizik koji PTFE u potpunosti eliminira.
Prednost toplotne provodljivosti glinice omogućava kompaktniji izmjenjivač, što može biti odlučujuće u instalacijama{0}}ograničenim prostorom. Gdje to prostor dozvoljava, apsolutna hemijska otpornost PTFE-a i sloboda od rizika od krtog loma čine ga izborom nižeg-rizika za koncentriranu upotrebu kaustike.
Inženjerska analiza za izbor kaustičnog servisnog materijala dostupna je nakon podnošenja koncentracije NaOH, opsega radne temperature, karakteristika ciklusa temperature, toplotnog opterećenja i raspoloživog prostora za instalaciju.
