Klor-alkalni proces, koji proizvodi hlor i kaustičnu sodu, uključuje neke od najkorozivnijih fluida u industrijskoj hemiji-vrući koncentrovani slani rastvor, vlažni hlorni gas i jak kaustik. Izmjenjivači topline u ovim postrojenjima moraju izdržati niz agresivnih uvjeta.PTFE izmjenjivač topline klor alkalna industrijaprimjene su postale ključne za pouzdano rukovanje ovim strujama, jer izuzetna hemijska otpornost fluoropolimera nadmašuje većinu metala u ovim uslugama.
Korozivno okruženje hlor{0}}alkalnih postrojenja
Tri primarne procesne struje dominiraju proizvodnjom klora{0}}alkalija (preko tehnologija dijafragme, žive ili membranskih ćelija):
slana otopina (rastvor natrijum hlorida): Zasićene ili skoro zasićene, tipično na 60-90 stepeni, često sadrže nečistoće kalcijuma, magnezijuma i sulfata. Vruća slana otopina je vrlo korozivna za ugljični čelik i mnoge nehrđajuće čelike zbog klorida-induciranog udubljenja i korozije u pukotinama.
kaustična soda (natrijum hidroksid): Koncentrisan (32-50% NaOH) na temperaturama u rasponu od 80 stepeni u ćelijskom efluentu do 150 stepeni tokom isparavanja. Vruća kaustika uzrokuje korozijsko pucanje pod naponom u austenitnom nehrđajućem čeliku i brzo napada aluminij i cink.
Vlažni hlorni gas: Klor zasićen vodenom parom je izuzetno oksidirajući. Formira hlorovodoničnu i hipohlornu kiselinu koja uništava većinu metala, uključujući nerđajući čelik i titan, u kratkom vremenu.
Izmjenjivači topline također moraju nositi anodnu tekućinu (osiromašenu otopinu soli), hlorni kondenzat i razne tokove recikliranja. Konvencionalni metalni izmjenjivači topline brzo pokvare u jednom ili više ovih okruženja, što fluoropolimere čini atraktivnom alternativom.
Ključne primjene PTFE izmjenjivača topline u hlor{0}}alkalnim postrojenjima
PTFE (politetrafluoroetilen) izmjenjivači topline se koriste u nekoliko kritičnih usluga gdje otpornost na koroziju ima prioritet u odnosu na termičku efikasnost. Niska toplotna provodljivost PTFE (≈0,25 W/m·K) je kompenzovana velikim površinama (npr. više- snopovi cevi ili dizajnom namotaja) i eliminacijom vremena zastoja uzrokovanog kvarovima metalnog izmenjivača.
Predgrejači slane vode
Sirova slana otopina mora se zagrijati do radne temperature ćelije (obično 70-85 stepeni za membranske ćelije) prije elektrolize. PTFE imerzioni kalemovi ili izmjenjivači omotača-i-izmjenjivača se postavljaju direktno u rezervoare za slanu vodu ili u recirkulacijske petlje. Slana otopina je često zasićena hlorom i može sadržavati hipohlorit iz povratnih tokova ćelije. PTFE je otporan na sve ove vrste bez korozije udubljenja ili pukotina.
U biljkama sa membranskim ćelijama čistoća slane otopine je kritična kako bi se izbjeglo trovanje membrana za jonsku{0}}izmjenu. PTFE izmjenjivači ne unose ione metala u slanu otopinu, čuvajući vijek trajanja membrane. Metalni izmjenjivači (npr. titanij) još uvijek mogu korodirati u prisustvu slobodnog hlora ili ispod naslaga, dok PTFE ostaje inertan.
Caustic Coolers
Efluent katolita iz hlor{0}}alkalnih ćelija sadrži 32-35% NaOH na približno 80-90 stepeni. Ovo se mora ohladiti prije skladištenja ili dalje koncentracije. PTFE kućište-i-izmjenjivači topline se koriste sa rashladnom vodom na strani kućišta i kaustikom koja teče kroz PTFE cijevi. Fluoropolimer je otporan na kaustiku na ovim temperaturama bez rizika od kaustičnog krtljenja ili pucanja od korozije pod naponom.
Za kaustične na višim temperaturama (iznad 110 stepeni, kao što je u krugovima isparivača), preferirani su PFA (perfluoroalkoksi) izmenjivači ili egzotični metali poput nikla 200 jer PTFE počinje da omekšava malo iznad 120 stepeni, iako njegova hemijska otpornost ostaje netaknuta. Međutim, za tipičan raspon od 80-90 stepeni, PTFE je potpuno prikladan.
Hladnjaci na vlažni hlor
Hlor koji izlazi iz ćelije je vruć (80-95 stepeni) i zasićen vodenom parom. Hlađenjem kondenzira veliki dio vode i smanjuje koroziju nizvodno. Koristi se PTFE cijev-i-izmjenjivač, s vlažnim plinom klora koji prolazi kroz PTFE cijevi i rashladnom vodom oko njih. PTFE površina ne reaguje sa vlažnim hlorom ili sa hlorovodoničnom i hipohlorovodoničnom kiselinom koja nastaje pri kondenzaciji.
Metalni hladnjaci za mokri hlor zahtijevaju skupe legure (npr. tantal, Hastelloy C‑22) i još uvijek imaju ograničen vijek trajanja. PTFE izmjenjivači, iako su veći za istu funkciju, rade godinama bez korozije. Koriste se i kao kondenzatori hlora nakon tornja za sušenje, gde je gas mnogo suvlji, ali i dalje agresivan.
Grijač/hladnjak za dehloriranje slane otopine
Osiromašeni slani rastvor (anolit) koji izlazi iz ćelije sadrži otopljeni hlor. Prije nego što se slana otopina reciklira i ponovo -zasiti, hlor se mora ukloniti (deklorinacija) vakuumom ili zračnim uklanjanjem. Slana otopina se često zagrijava na 85-95 C kako bi se pomogla dehloracija. PTFE izmjenjivači se koriste za povrat topline iz odlazeće dehlorisane slane vode, predgrijavanje ulazne svježe slane vode. Ova petlja za izmjenu topline upravlja tekućinama koje su korozivne i mogu sadržavati zaostali hlor, što PTFE čini praktičnim izborom.
Neutralizacija toka otpada
Otpadni kiseli ili alkalni tokovi iz hlor{0}}alkalnih postrojenja neutraliziraju se prije ispuštanja. PTFE izmjenjivači topline se ponekad koriste za povrat topline iz ovih reakcija neutralizacije ili za hlađenje neutraliziranog efluenta. Širok raspon pH vrijednosti (od visoko kiselih do visoko bazičnih) ne utiče na PTFE.
Zašto je PTFE poželjniji u odnosu na metale za ove usluge
| Procesna tečnost | Problemi izmjenjivača metala | PTFE Prednost |
|---|---|---|
| Vruća zasićena slana otopina (sa Cl₂, OCl⁻) | Titanijum može korodirati u prisustvu slobodnog hlora; udubljenja od nehrđajućeg čelika; legure nikla skupe | PTFE inertan prema svim komponentama slane vode; nema ispiranja metalnih jona |
| Vruća kaustična soda (32-50%, 80-90 stepeni) | Naprsline od korozije od nehrđajućeg čelika; legure nikla skupe | PTFE otporan na kaustiku; nema mehanizam za pucanje |
| Vlažni hlorni gas | Preživljavaju samo tantal ili specijalne legure; visoka cijena i vrijeme isporuke | PTFE potpuno otporan; niži kapitalni troškovi (iako veća veličina) |
| Pomiješane kiseline/alkalije u otpadnim tokovima | Brza korozija zbog promjena pH vrijednosti | PTFE na koji pH ne utiče |
Materijal izbora za mnoge usluge u hlor{0}}alkalnim postrojenjima je PTFE kada radna temperatura ne prelazi oko 110 stepeni. Iznad toga, razmatraju se PFA ili metalne alternative, ali većina obaveza izmjene topline u tretmanu slane vode, ćelijskoj kući i rukovanju hlorom spada u temperaturni raspon PTFE-a.
Razmatranje dizajna za PTFE izmjenjivače u hlor-alkalnom servisu
Temperaturna ograničenja
PTFE ima ograničenje kontinuirane upotrebe od približno 260 stepeni u aplikacijama koje ne nose-opterećenje-, ali za izmjenjivače topline gdje je polimer pod unutrašnjim pritiskom medija za grijanje/hlađenje, praktična ograničenja su niža. Za hlor-alkalne aplikacije, PTFE izmjenjivači su tipično specificirani za fluide ispod 110 stepeni. Za kaustične isparivače koji rade iznad 120 stepeni koriste se PFA (tačka topljenja 305 stepeni) ili perfluorirani elastomer-izmjenjivači.
Ocene pritiska
PTFE cijevi nisu strukturalne. Podržani su cijevnim listovima ili omotani oko okvira. Pritisci sa strane -bočne strane su ograničeni na 3-5 bara (manometar) u zavisnosti od dizajna. Pritisci sa strane cijevi- za unutrašnje medije (para, voda, glikol) su također umjereni. Za primjene visokog-pritiska, metalni izmjenjivači sa PTFE oblogama se koriste umjesto čvrstih PTFE jedinica.
Parno grijanje
Kada se para koristi kao medij za grijanje za slanu otopinu ili kaustičnu, preporučuje se para niskog-pritiska (obično 1–2 bara, što odgovara 120–130 stepeni) kako bi se izbjeglo pregrijavanje PTFE površine na sučelju parne-cijevi. Ako su potrebni veći pritisci pare, koristi se PFA izmjenjivač ili izmjenjivač topline -na-voda sa PTFE sekundarnim izmjenjivačem.
Prljanje i čišćenje
PTFE neprijanjajuća površina minimizira prianjanje kamenca od slanih soli ili kaustika. Ako dođe do stvaranja kamenca, izmjenjivač se može očistiti razrijeđenom klorovodičnom kiselinom (za karbonatne kamence) ili mehaničkim miješanjem bez oštećenja cijevi. Ispiranje parom ili toplom vodom je takođe efikasno. Za razliku od metalnih izmjenjivača, hemijsko čišćenje ne korodira PTFE površinu.
Tipične primjene PTFE izmjenjivača u hlor-alkalnom postrojenju – tabela sažetka
| Aplikacija | Procesna tečnost | Temperaturni opseg | Srednji grijanje/hlađenje | Tip PTFE izmjenjivača |
|---|---|---|---|---|
| Predgrijač salamure | Zasićena NaCl slana otopina, može sadržavati Cl₂ | 25 stepeni → 75–85 stepeni | Para niskog-pritiska ili topla voda | Zavojnica ili školjka{0}}i-cijev |
| Kaustični hladnjak | 32–50% NaOH | 85 stepeni → 40 stepeni | Voda za hlađenje | Školjka{0}}i-cijev (kaustika u cijevima) |
| Hladnjak sa mokrim hlorom | Cl₂ gas zasićen sa H₂O | 80 stepeni → 25–30 stepeni | Voda za hlađenje | Shell-i-cijev (gas u cijevima) |
| Grijač za dehloriranje slane otopine | Osiromašeni slani rastvor sa zaostalim Cl₂ | 65 stepeni → 85 stepeni | Topla voda ili para | Imerzioni kalem |
| Anolit hladnjak | Anolit (osiromašeni slani rastvor + Cl₂) | 85 stepeni → 50 stepeni | Voda za hlađenje | Školjka{0}}i-cijev |
| Hladnjak za neutralizaciju otpada | Kiseli ili alkalni efluent | Varijabilno → 30 stepeni | Voda za hlađenje | Zavojnica ili školjka{0}}i-cijev |
Ograničenja i alternative
Iako je PTFE vrlo otporan, on nije univerzalno rješenje. Za sledeće uslove preporučuju se alternativni materijali:
Kaustično iznad 110 stepeni: PFA ili nikl 200 (za 50% NaOH na 150 stepeni). PTFE omekšava i može puzati pod pritiskom.
High-pressure steam (>5 bara): Metalni izmjenjivači s oblogama od fluoropolimera ili PFA cijevi s metalnim nosačem.
Reciklirajuća kiselina u kuli za sušenje hlora (93–98% H₂SO₄): Visoka-koncentracija sumporne kiseline na umjerenim temperaturama je prihvatljiva za PTFE, ali mnoge fabrike koriste nerđajući čelik ili čelik obložen teflonom{1}}.
Tečni hlor (bezvodni): PTFE je kompatibilan, ali se obično koristi ugljični čelik jer tekući hlor nije korozivan u odsustvu vode.
Zaključak
PTFE izmjenjivači topline su radni konj u hlor-alkalnoj industriji za korozivne, umjerene{1}}temperaturne usluge. Pouzdano se nose sa vrućim slanim rastvorom, vlažnim gasom hlora i kaustičnom sodom na temperaturama do 110 stepeni, gde metali trpe rupture, pucanje ili brzu opštu koroziju. Neprianjajuća, hemijski inertna priroda PTFE-a takođe minimizira onečišćenje i pojednostavljuje čišćenje. Primjene uključuju predgrijače slane vode, kaustične hladnjake, hladnjake na plin hlor i grijače za dehloriranje. Dok niska toplotna provodljivost PTFE-a zahtijeva veće površine prijenosa topline, smanjenje vremena zastoja u održavanju i zamjeni više nego kompenzira. Provjerene performanse materijala podupiru pouzdanu hemijsku proizvodnju, iPTFE izmjenjivač topline klor alkalna industrijaaplikacije nastavljaju da se šire jer operateri postrojenja traže dugoročna-rješenja bez korozije-.
