Odluka o odabiru materijala
Linija za kiseljenje od nerđajućeg čelika koristi mešani rastvor kiseline koji sadrži 8% HF i 12% HNO₃ na 55 stepeni. Izmjenjivač topline mora izdržati ovu agresivnu hemiju dok isporučuje 60 kW grijanja. Razmatraju se dva materijala: titanijum 2. stepena i neobrađen PTFE.
Titanijum je tradicionalni izbor. Nudi dobru toplotnu provodljivost, mehaničku čvrstoću i poznavanje timovima za održavanje. PTFE nudi apsolutnu hemijsku otpornost, ali nižu toplotnu provodljivost i veći otisak zavojnice. Početna kupovna cijena ne ide u prilog ni-titanijumu koji košta više po kvadratnom metru, ali zahtijeva manju površinu.
Odluku treba donijeti o ukupnim troškovima posjedovanja tokom očekivanog 10-godišnjeg vijeka trajanja linije za kiseljenje. Ova analiza mora uzeti u obzir početni kapital, instalaciju, rad na održavanju, hemijsko čišćenje, zastoje u proizvodnji i učestalost zamjene. Kada se uključe svi faktori, ekonomija se odlučno mijenja.
Skrivena cijena titanijuma u HF servisu
Otpornost titana na koroziju ovisi o pasivnom TiO₂ filmu. U oksidirajućim kiselinama poput dušične kiseline, ovaj film je stabilan. U prisustvu fluoridnih jona iz HF, film se otapa. Površina titanijuma je napadnuta stvaranjem rastvorljivih titanijum-fluoridnih kompleksa.
Pri koncentraciji od 55 stepeni i 8% HF, titanijum stepena 2 korodira približno 0,5-1,5 mm godišnje u zavisnosti od tačnog odnosa kiselina, temperaturnih fluktuacija i mešanja rastvora. Zavojnica za uranjanje titanijuma sa 1,5 mm debljine zida ima životni vek od 1-3 godine pre nego što stanjivanje zida dostigne tačku u kojoj je zamena obavezna radi bezbednosti.
Ova korozija nije jednolična po površini zavojnice. Područja s višim temperaturama, kao što je u blizini ulaza za paru, brže korodiraju. Zavareni šavovi i zone{2}}zahvaćene toplinom prvenstveno korodiraju. Režim kvara je nepredvidivo pitting, a ne postepeno stanjivanje koje se može pratiti i planirati.
Svaki događaj zamjene košta mnogo više od nabavne cijene novog titanijumskog namotaja. Kada se mora isprazniti i ohladiti. Proizvodnja se zaustavlja na 8-16 sati. Stari namotaj se mora izrezati i ukloniti. Nova zavojnica zahtijeva instalaciju, ispitivanje curenja i kontrolirani ciklus zagrijavanja. Ukupni trošak jednog događaja zamjene obično se kreće od 3 do 5 puta više od nabavne cijene zavojnice.
Tabela 1: Poređenje ukupnih troškova vlasništva za 10 godina (60 kW izmjenjivač topline, 8% HF / 12% HNO₃ na 55 stepeni)
| Kategorija troškova | Titanijum 2 | PTFE |
|---|---|---|
| Početni trošak izmjenjivača topline | $12,000 | $14,000 |
| Cijena instalacije (početna) | $4,000 | $3,500 |
| Očekivani vijek trajanja | 1.5 - 3 godina | 10+ godina |
| Zamjene preko 10 godina | 3 - 5 | 0 |
| Cijena zamjene po događaju (kalem + rad + vrijeme zastoja) | $18,000 - $22,000 | N/A |
| Ukupni troškovi zamjene tijekom 10 godina | $72,000 - $88,000 | $0 |
| Godišnje održavanje (pregled, čišćenje) | $800 | $200 |
| 10-godišnji trošak održavanja | $8,000 | $2,000 |
| Zastoji u proizvodnji (sati po zamjeni) | 12 - 16 sati po događaju | 0 sati |
| Ukupno vreme zastoja preko 10 godina | 48 - 80 sati | 0 sati |
| Ukupni 10-godišnji trošak (bez vrijednosti zastoja) | $96,000 - $112,000 | $19,500 |
Procjena troškova zasnovana na operaciji kiseljenja srednje veličine{0}} Zastoji se ne unovčavaju ukupno, ali su navedeni zasebno. Učestalost zamjene titanijuma na osnovu objavljenih stopa korozije u HF-HNO₃ u radnim uslovima.
Prednost PTFE: nula troškova zamjene
PTFE je hemijski inertan u smešama HF-HNO₃ pri svim koncentracijama i temperaturama do 260 stepeni. Ne postoji mehanizam korozije. Debljina stijenke cijevi ostaje nepromijenjena od ugradnje do kraja radnog vijeka. Površina prijenosa topline ostaje konstantna. Nema neplaniranih zamjena.
Početna cijena PTFE izmjenjivača topline je nešto veća zbog veće površine potrebne za kompenzaciju niže toplinske provodljivosti. Trošak ugradnje je nešto niži jer lagani namotaj ne zahtijeva tešku opremu za dizanje. Ove skromne razlike potpuno su preplavljene eliminacijom zamjenskih događaja u periodu od 10 godina.
Godišnji troškovi održavanja PTFE zavojnice ograničeni su na vizuelni pregled i povremeno ispiranje. Nema hemijskog uklanjanja kamenca, pasivizacije i ultrazvučnog merenja debljine. Materijal jednostavno ne zahtijeva aktivnosti održavanja koje zahtijeva titanijum.
Nematerijalni troškovi i stabilnost procesa
Osim kvantificiranih troškova, PTFE kalem pruža stabilnost procesa kojoj titan ne može parirati. Korozija titana dovodi ione titana u kupku za kiseljenje. Ovi joni mogu uticati na brzinu jetkanja i kvalitet završne obrade površine. Kada se titanijum zameni preventivno na osnovu merenja debljine zida, vreme zamene je procena koja može biti prerano (gubljenje preostalog radnog veka) ili prekasno (rizik od curenja).
PTFE eliminiše oba problema. Joni metala ne ulaze u kadu. Nisu potrebni zamjenski pozivi za prosudbu. Proces teče sa stabilnom brzinom prijenosa topline i nultim rizikom od kontaminacije tokom čitavog 10-godišnjeg vijeka trajanja opreme.
Rezime
Ukupni 10-godišnji trošak vlasništva za PTFE izmjenjivač topline u HF-HNO₃ usluzi kiseljenja je otprilike jedna-petina titanijumskog ekvivalenta, uprkos nešto većoj početnoj cijeni kupovine. Razlika proizlazi iz ograničenog vijeka trajanja titanijuma u kiselini koja sadrži fluor, koja zahtijeva 3-5 zamjena tokom decenije, od kojih svaka uzrokuje značajne troškove rada i zastoja.
Hemijska inertnost PTFE-a u potpunosti eliminiše zamjenu izazvanu korozijom{0}}. Troškovi održavanja su minimalni. Stabilnost procesa je poboljšana kroz dosljedan prijenos topline i nultu kontaminaciju metalnim jonima. Poslovni slučaj za PTFE u ovoj aplikaciji je nedvosmislen kada se analizira ukupni trošak, a ne samo početna nabavna cijena.
Inženjerska analiza za poređenje troškova PTFE i titanijuma u specifičnim aplikacijama za kiseljenje dostupna je nakon podnošenja koncentracije kiselina, radne temperature, dimenzija rezervoara, zahteva toplotnog opterećenja i trenutne evidencije troškova održavanja.
