Tradicionalni materijal
Olovo se koristi u proizvodnji sumporne kiseline više od jednog veka. Njegova otpornost na sumpornu kiselinu proizlazi iz stvaranja zaštitnog filma olovnog sulfata koji je netopiv u kiselini. Bakarne cijevi-obložene olovom-bakarne cijevi sa olovnim omotačem metalurški spojenim za vanjštinu-kombinuju otpornost olova na koroziju sa toplotnom provodljivošću bakra. Decenijama je ovo bio standardni materijal za izmjenjivanje topline za kupke za kiseljenje sumporne kiseline.
Mnogi od ovih olovnih{0}}bakarnih izmjenjivača i danas su u upotrebi. Zamjenjuju se kako pokvare, a PTFE je sve više zamjenski materijal. Pitanje nije da li -bakar obložen olovom radi-, već neko vrijeme. Pitanje je kako se njegovi mehanizmi kvara i vijek trajanja mogu usporediti s PTFE-om u modernim operacijama kiseljenja.
Mehanizam erozije{0}}korozije
Olovo je mekano. Njegova tvrdoća po Brinellu je približno 4-5 HB, u poređenju sa 35-50 HB za bakar i 120-180 HB za nerđajući čelik. U kadi za kiseljenje sa cirkulacijom rastvora, tekućina kiselina kontinuirano erodira zaštitni film olovnog sulfata. Film se reformiše, ali svaki ciklus erozije-reformacije troši malu količinu olova.
U područjima velike brzine protoka-u blizini pražnjenja cirkulacione pumpe, eduktornih mlaznica ili cijevi za raspršivanje zraka-brzina erozije se ubrzava. Na ovim lokacijama olovni omotač se ponajprije tanji. Tokom godina rada, omotač se može istanjiti do tačke na kojoj je bakar koji leži ispod izložen.
Jednom kada bakar dođe u kontakt sa sumpornom kiselinom, ona brzo korodira s evolucijom vodika. Otapanje bakra potkopava susjedni olovni omotač. Neuspjeh kaskada. Mala erozija proširuje se u veliko curenje.
PTFE nema zaštitni film koji bi erodirao. Materijal je homogen; njegova površina je njegova masa. Protočna abrazija može polako istrošiti površinu, ali stopa je redova veličine niža od erozije olova{2}}korozije. PTFE cijevi u servisu za kiseljenje pokazuju zanemarljiv gubitak na zidu nakon decenije neprekidnog izlaganja protoku.
Tabela 1: Poređenje vijeka trajanja kod 15% H₂SO₄ kiseljenja na 70 stepeni
| Parametar performansi | Olov{0}}bakar obložen olovom | PTFE |
|---|---|---|
| Mehanizam zaštite od korozije | PbSO₄ pasivni film | Inherentna stabilnost C-F veze |
| Brzina erozije filma u cirkulirajućoj kiselini (μm/god.) | 10-50 (ovisno o brzini) | 0 (bez filma) |
| Rizik od izloženosti osnovnim metalima | Da (na mjestima erozije) | Nema (bez osnovnog metala) |
| Toplotna provodljivost (W/m·K) | ~40 (kompozit) | 0.25 |
| Otpornost na termičke cikluse | Loše (degradacija-olova; degradacija interfejsa bakra{1}}olova) | Odlično |
| Vijek trajanja kod kontinuiranog kiseljenja | 3-7 godina | 15+ godina |
| Metoda popravke | Nije popravljivo (samo zamjena) | Zamjena utikača ili cijevi |
| Zabrinutost za okoliš/rukovanje | Olovo je toksično; odlaganje regulisano | Inert; ne-opasno odlaganje |
Problem zamora od termičkog ciklusa
Kupke za kiseljenje često rade u dnevnom ili nedeljnom ciklusu: zagrevaju se na 70 stepeni tokom proizvodnje, ohlade na ambijent tokom gašenja. Svaki ciklus nameće toplotnu ekspanziju i kontrakciju izmenjivača toplote.
Olovo i bakar imaju značajno različite koeficijente termičke ekspanzije: olovo pri 29 × 10⁻⁶/stepen, bakar pri 17 × 10⁻⁶/ stepen. Tokom zagrijavanja, olovni omotač se širi više od bakrenog jezgra. Tokom hlađenja se više skuplja. Diferencijalno kretanje stvara naprezanje na smicanje na spoju metalurške veze.
Tokom stotina termičkih ciklusa, interfejs veze se zamara. Male separacije se razvijaju između olova i bakra. Odvajanja smanjuju prijenos topline-razmak, čak i mikroskopski, dodaje toplinsku otpornost. Oni također stvaraju okludirane zone gdje kiselina može prodrijeti i direktno napasti bakar, ubrzavajući proces kvara.
PTFE cijevi su homogene-nema interfejsa za odvajanje. Toplotno širenje se prilagođava elastičnom deformacijom cijelog zida cijevi. Ne razvija se diferencijalni stres. Ne postoji mehanizam zamora pri normalnim temperaturama usluge kiseljenja.
Faktor životne sredine i sigurnosti
Olovo je otrovan metal. Njegova upotreba u industrijskoj opremi je sve više ograničena propisima o zaštiti životne sredine i zdravlja na radu. Odlaganje istrošenih izmjenjivača bakra obloženih olovom- zahtijeva rukovanje, ispoljavanje i licenciran tretman opasnog otpada. Trošak odlaganja dodaje ukupnu cijenu životnog ciklusa.
PTFE je ne-toksičan i hemijski inertan. Odlaganje--životnog vijeka je kao-neopasan industrijski otpad. Nije potrebno posebno rukovanje, ispoljavanje ili tretman. Ova razlika, iako nije primarni tehnički pokretač, u skladu je s trendom eliminacije toksičnih materijala iz industrijskih procesa.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline traju duže od bakra obloženog olovom-u kiselinom sumpornom kiselinom jer PTFE eliminira eroziju-koroziju zaštitnog filma olova, termički zamor olovnog-bakarnog spoja i progresivne načine kvara svojstvene obloženoj metalnoj konstrukciji. Bakar obložen olovom{4}} služio je svojoj svrsi vek, ali njegov vek trajanja od 3-7 godina, nemogućnost popravke na terenu i zahtevi za odlaganje toksičnih materija čine ga ekonomski i ekološki inferiornim u odnosu na PTFE za moderne operacije kiseljenja.
Prijelaz sa olovnog-obloženog bakra na PTFE potaknut je dužim vijekom trajanja, popravljivošću na terenu i eliminacijom rukovanja toksičnim materijalom. Veći PTFE otisak potreban za ekvivalentnu toplotnu obavezu predstavlja-ustupak u ovoj konverziji.
Inženjerska analiza za nadogradnju izmjenjivača topline u kupelji za kiseljenje dostupna je nakon podnošenja koncentracije kiseline, radne temperature, karakteristika protoka cirkulacije i trenutnog vijeka trajanja izmjenjivača i istorije kvarova.
