Dvostruko{0}}okruženje za napad
Proces hemijskog čišćenja izmjenjuje se između 15% rastvora hlorovodonične kiseline na 70 stepeni i 10% rastvora natrijum hidroksida na 80 stepeni. Izmjenjivač topline je izložen ekstremnim pH vrijednostima na oba kraja vage, uz ispiranje toplom vodom između ciklusa. Kiselina napada metale i alkalne{6}}osetljive materijale. Kaustik napada staklo, keramiku na bazi silicijum-dioksida{8}}i amfoterne metale. Malo materijala preživljava oba okruženja.
Emajlirani čelik-koji se također naziva staklenim-čelikom obloženim- dugo se koristi u korozivnoj hemijskoj industriji. Staklena obloga, borosilikatni emajl natopljen sa čeličnom podlogom na visokoj temperaturi, dobro je otporan na kiseline. Široko se koristi u reaktorskim posudama, rezervoarima za skladištenje i izmenjivačima toplote u hemijskoj i farmaceutskoj industriji.
PTFE je otporan i na kiseline i na baze u cijelom pH spektru. Izbor između emajliranog čelika i PTFE-a za naizmjeničnu kiselinsku-alkalnu upotrebu odlučuje nagrizajuća strana ciklusa-gdje emajlirani čelik ima osnovnu ranjivost.
Mehanizam korozije stakla u alkalijama
Staklo je silicijum dioksid sa raznim modifikatorima metalnih oksida. U alkalnim rastvorima, hidroksidni joni napadaju silicijum-kiseoničke veze koje formiraju staklenu mrežu. Reakcija je:
SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O
Natrijum silikat je rastvorljiv i rastvara se u alkalnom rastvoru. Staklena površina se progresivno urezuje. Brzina ovisi o temperaturi, koncentraciji kaustike i specifičnom sastavu stakla.
Borosilikatno staklo-vrsta koja se koristi za emajlirani čelik-sadrži borov oksid koji poboljšava hemijsku trajnost. Ali u 10% NaOH na 80 stepeni, čak i borosilikatno staklo korodira na približno 0,01-0,05 mm/god. Staklena obloga debljine 0,8-1,2 mm gubi 10-60% svoje debljine tokom 10 godina radnog vijeka pod ovim uvjetima.
Korozija je rijetko savršeno ravnomjerna. Mikroskopski defekti, mjehurići ili tanke mrlje na staklenoj oblogi brže korodiraju. Nakon što staklo prodre, čelik ispod je izložen naizmjeničnom kiselom{2}}alkalnom okruženju. Čelik brzo korodira u oba. Obloga lokalno pokvari, a oprema mora biti ponovo staklena ili zamijenjena.
Tabela 1: Poređenje performansi kiseli-alkalnog ciklusa
| Parametar performansi | Emajlirani (stakleni{0}}obloženi) čelik | PTFE |
|---|---|---|
| Otpornost na kiseline (HCl, H₂SO₄) | Odlično | Odlično |
| Alkalna otpornost (NaOH, KOH) | Loše (otapanje stakla) | Odlično |
| Stopa korozije u 10% NaOH na 80 stepeni (mm/god.) | 0.01-0.05 | 0 |
| Debljina obloge/prevlake (mm) | 0.8-1.2 | 1,0-1,5 (zid cijevi) |
| Procijenjeni vijek trajanja obloge u naizmjeničnom pH servisu | 3-8 godina | 15+ godina |
| Metoda popravke | Factory reglass; sedmice zastoja | Uključite ili zamijenite dio cijevi |
| Otpornost na toplotni udar | Umjereno (ΔT max ~100 stepeni) | Excellent (>200 stepeni ΔT) |
| Otpornost na mehanički udar | Loše (krto; strugotine na udaru) | Dobar (elastičan oporavak) |
| Režim greške | Prodor obloge → korozija čelika | Postepeno stanjivanje puzanja |
| Detektivnost predstojećeg kvara | Teško (oštećenje obloge često nevidljivo) | Jednostavno (ultrazvučno mjerenje debljine) |
Faktor toplotnog šoka
Prijelaz iz vruće kiseline u vrući alkalni rastvor putem ispiranja vodom stvara uslove termičkog šoka. Izmjenjivač topline od emajliranog čelika doživljava brzu promjenu temperature koja opterećuje vezu stakla-na-čelik. Staklo i čelik imaju različite koeficijente termičke ekspanzije-staklo pri približno 3-6 × 10⁻⁶/stepen, čelik na 12-15 × 10⁻⁶/ stepen. Diferencijalno širenje stvara naprezanje na smicanje na sučelju.
Tokom stotina termičkih ciklusa, kumulativno naprezanje uzrokuje mikro-pukotine na staklenom-čeličnom interfejsu. Ove pukotine su nevidljive sa strane procesa. Rastu uz kontinuirano kruženje sve dok staklo ne odlijepi od čelika. Izloženi čelik tada brzo korodira.
PTFE nema interfejs za raslojavanje. Materijal je homogen po svojoj debljini. Toplotno širenje se prilagođava elastičnom deformacijom cijele komponente. Ne razvija se diferencijalni stres.
Održavanje i popravka Kontrast
Kada pokvari stakleni{0}}čelični izmjenjivač topline, cijela jedinica mora biti uklonjena i otpremljena u specijalizovano postrojenje za ponovno staklo. Proces traje nedeljama. Proizvodnja je prekinuta. Rezervna jedinica mora biti dostupna ili je proizvodni kapacitet izgubljen.
Kada PTFE izmjenjivač topline razvije curenje-obično nakon mnogo godina rada-zahvaćena cijev se može umetnuti u polje. Izmjenjivač nastavlja raditi sa neznatno smanjenim kapacitetom. Trajna popravka ili zamjena cijevi zakazana je prilikom sljedećeg planiranog zaustavljanja održavanja.
Popravljivost PTFE-a na terenu je značajna operativna prednost u procesima gdje je kontinuitet proizvodnje kritičan.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline nadmašuju emajlirani čelik u naizmjeničnom kiselinskom-alkalnom radu jer je PTFE imun na kaustičko otapanje koje progresivno razrjeđuje staklene obloge. Stopa korozije stakla emajliranog čelika u vrućoj lužini, u kombinaciji sa oštećenjem termičkog šoka na interfejsu stakla-čelika, ograničava vijek trajanja na 3-8 godina. PTFE pruža uslugu od 15+ godine bez korozije ili delaminacije interfejsa.
-Popravljivost PTFE-a na terenu dodatno smanjuje troškove zastoja u poređenju sa fabričkim-restaklom potrebnim za popravke emajliranog čelika. Za procese koji kruže između kiselih i alkalnih hemija, PTFE je izbor sa nižim-rizikom i dužim vijekom trajanja.
Inženjerska analiza za odabir naizmjeničnog pH materijala za servisiranje dostupna je nakon podnošenja podataka o koncentracijama kiseline i kaustike, radnim temperaturama, učestalosti ciklusa i trenutnom radnom vijeku opreme.
