Izazov hlorovodonične kiseline
Hlorovodonična kiselina u koncentracijama iznad 5% i temperaturama iznad 60 stepeni jedna je od najagresivnijih industrijskih sredina za metalne materijale. Hloridni jon, mali i vrlo pokretljiv, prodire u pasivne filmove, inicira piting i održava autokatalitičku koroziju. Standardni nerđajući čelik i titanijum su brzo napadnuti.
Legura titanijum-paladijuma (Grade 7 ili Grade 11) je razvijena posebno za povećanje otpornosti titanijuma na koroziju u smanjenju kiselog okruženja. Mali dodatak paladijuma-0,12-0,25%-katodno modifikuje leguru, pomerajući njen potencijal korozije u pasivni opseg. Legura može podnijeti koncentracije HCl i temperature koje su nemoguće za komercijalno čisti titanij.
PTFE ne zahtijeva legiranje da bi bio otporan na HCl. Njegove veze ugljika{1}}fluora su otporne na napad klorida pri bilo kojoj koncentraciji i na bilo kojoj temperaturi do 260 stepeni. Izbor između Ti-Pd legure i PTFE-a za HCl servis se ne odnosi na mogućnost korozije-obojica mogu preživjeti. Riječ je o korozionoj pouzdanosti, cijeni i posljedicama neizbježnih razlika u načinu kvara.
Ograničenje Ti-Pd pasivnog filma
Legura titana{0}}paladijuma otporna je na HCl kroz stabilizirani pasivni TiO₂ film. Paladijum, prisutan kao fino dispergovana druga faza, obezbeđuje katodna mesta koja pomeraju potencijal otvorenog-kola legure u pasivni domen. Mehanizam je elektrohemijski, a ne termodinamički. Pasivni film se mora kontinuirano održavati.
U vrućoj HCl, pasivni film je u dinamičkoj ravnoteži sa kiselinom. Polako se raspada i kontinuirano se reformiše. Legura korodira vrlo malom ali mjerljivom brzinom-obično 0,01-0,05 mm/godišnje u 10% HCl na 80 stepeni. Tokom 10-godišnjeg vijeka trajanja, ova jednolična korozija troši 0,1-0,5 mm debljine zida.
Jedinstvena stopa korozije se može upravljati uz dodatak korozije. Veći rizik je lokalizirani kvar. Ako se čestica željeza iz čeličnog alata ulije u površinu, formira aktivnu galvansku ćeliju. Ako se ispod brtve ili naslage stvori pukotina, začepljena hemija postaje agresivnija. Ako je distribucija paladija ne-ujednačena-proizvodni nedostatak-lokalne nezaštićene zone brzo korodiraju. Ovi lokalizirani mehanizmi kvara su probabilistički, a ne deterministički. Dva identična Ti-Pd izmjenjivača u identičnom servisu mogu imati različit vijek trajanja.
Tabela 1: PTFE naspram titana-paladija u vrućoj HCl servisu (10% HCl, 80 stepeni)
| Parametar poređenja | Titan{0}}Paladijum (7. razred) | PTFE |
|---|---|---|
| Mehanizam korozije | Pasivna stabilizacija filma pomoću Pd | Inherentna stabilnost veze ugljika{0}}fluora |
| Ujednačena brzina korozije (mm/god.) | 0.01-0.05 | 0 |
| Lokalizovani rizik od korozije | Moguća korozija u pukotinama; Osjetljivost na kontaminaciju Fe | Nema |
| Maksimalna radna temperatura u HCl | ~100 stepeni (ovisno o koncentraciji) | 260 stepeni |
| Granica koncentracije HCl | 15-20% na 80 stepeni | Svaka koncentracija |
| Toplotna provodljivost (W/m·K) | 21 | 0.25 |
| Potrebna relativna površina | 1.0× | 3-4× (veći otisak) |
| Cijena materijala (relativna) | 15-25× | 1× |
| Složenost izrade | Visoka (specijalizirano zavarivanje; provjera homogenosti Pd) | Umjereno |
| Predvidljivost neuspjeha | Vjerovatni (lokalizirani slom) | Deterministički (život puzanja može se izračunati) |
| Predvidljivost radnog veka | 5-10 godina sa neizvjesnošću | 15+ godina sa proračunom-baziranim na dizajnu |
Kontrast načina rada greške
Kada izmjenjivač topline Ti-Pd pokvari u radu HCl, kvar je obično curenje uboda zbog lokalizirane korozije udubljenja ili pukotine. Curenje može biti iznenadna-jama koja prodire kroz-zid bez značajnog opšteg stanjivanja. Procesni fluid ulazi u sistem{5}}kondenzata pare. Proizvodnja se zaustavlja. Izmjenjivač mora biti zamijenjen.
Kada PTFE izmjenjivač topline dostigne kraj vijeka trajanja-obično nakon 10-15 godina ili više - način kvara je postepen: stanjivanje zida od puzanja, detektirano ultrazvučnim mjerenjem tokom planirane inspekcije. Cijev se zamjenjuje prije nego što procuri. Ne dolazi do neplaniranih zastoja.
Razlika u predvidljivosti ima ekonomsku vrijednost. Planirana zamjena tokom planiranog održavanja košta samo djelić hitne zamjene tokom proizvodnje. Za procese u kojima neplanirani zastoj košta 5.000-10.000 USD po satu, predvidljivost kvara PTFE je značajna finansijska prednost.
Poređenje troškova tokom radnog veka
Izmjenjivač topline od legure Ti-Pd ima cijenu materijala 15-25 puta veću od PTFE po kilogramu, ali zahtijeva manju površinu zbog veće toplotne provodljivosti. Početni trošak opreme za Ti-Pd je obično 4-8 puta veći od PTFE-a za istu toplinsku funkciju.
Tokom radnog vijeka od 15- godina, Ti-Pd izmjenjivač može zahtijevati jednu ili dvije neplanirane zamjene zbog lokalizirane korozije, od kojih svaka uzrokuje zastoje i troškove instalacije. PTFE izmjenjivač ne zahtijeva zamjenu, samo planirane inspekcije.
Ukupni trošak životnog ciklusa, uključujući početnu opremu, instalaciju, planirano održavanje i vjerovatno{0}}ponderisanu cijenu neplaniranih kvarova, favorizira PTFE faktor 2-3 u većini primjena HCl unutar PTFE-ovog operativnog okvira.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline nude superiornu pouzdanost u odnosu na leguru titanijuma-paladija u vrućoj HCl opskrbi jer je otpornost na koroziju PTFE termodinamička i apsolutna, dok se Ti{1}}Pd oslanja na elektrohemijsku pasivaciju koja se može lokalno raspasti. Početna prednost u pogledu troškova zbog veće toplotne provodljivosti Ti-Pd-a nadoknađena je nižom cijenom materijala PTFE-a, dužim vijekom trajanja i predvidljivim načinom kvara koji eliminiše neplanirane zastoje.
Za koncentraciju HCl i temperature unutar granice od 260 stepeni PTFE, PTFE predstavlja ekonomski i operativno superiorno rešenje. Ti-Pd je rezervisan za primjene koje prelaze temperaturnu granicu PTFE-a ili zahtijevaju mehanička svojstva metala.
Inženjerska analiza za izbor HCl servisnog materijala dostupna je nakon podnošenja podataka o koncentraciji kiseline, temperaturi, pritisku, toplotnom radu i trenutnom radnom vijeku opreme.
