Okruženje željeznog sulfata
Otopine željeznog sulfata koriste se u dekisanju čelika, proizvodnji pigmenata titan dioksida i kao nagrizajuća sredstva u završnoj obradi metala. Rastvor sadrži feri gvožđe u koncentracijama od 50-200 g/L kao Fe₂(SO₄)₃, sa slobodnom sumpornom kiselinom od 20-100 g/L, koja radi na 60-90 stepeni. Kombinacija jake oksidirajuće moći željeznog jona i kiselosti sumporne kiseline stvara agresivno okruženje za mnoge materijale.
Nepropusni grafit-grafit impregniran fenolnom ili furanskom smolom za uklanjanje poroznosti-naširoko se koristi za izmjenjivače topline u ovoj službi. Sam grafit je otporan i na sumpornu kiselinu i na željezni sulfat. Međutim, impregnacija smole ne dijeli ovaj otpor. Tokom vremena na povišenoj temperaturi, otopina željeznog sulfata oksidira smolu, uzrokujući progresivnu degradaciju.
PTFE nema smolu impregnacijsku koja bi se razgradila. Cijeli materijal je kemijski inertan prema željeznom sulfatu i sumpornoj kiselini. Poređenje između nepropusnog grafita i PTFE-a u ovoj usluzi je između kompozitnog materijala čije vezivo polako nestaje i homogenog materijala koji ne može kemijski reagirati s procesnom tekućinom.
Mehanizam degradacije smole
Nepropusni grafit se proizvodi impregnacijom poroznog grafita termoreaktivnom smolom-obično fenolnom ili furanskom-pod vakuumom i pritiskom. Smola ispunjava međusobno povezane pore, čineći materijal nepropusnim za procesne fluide. Grafit pruža toplotnu provodljivost i hemijsku otpornost. Smola obezbeđuje nepropusnost.
Željezni sulfat napada smolu oksidacijom. Ion željeza (Fe³⁺) je jak oksidant. On apstrahuje vodonik iz polimera smole, stvarajući slobodne radikale koji reaguju sa otopljenim kiseonikom i formiraju karbonilne i karboksilne grupe. Oksidirana smola postaje lomljiva. Razvijaju se mikro{4}}pukotine. Pukotine izlažu svježu smolu površinu otopini, nastavljajući napad.
Kako se smola razgrađuje, razvija se nekoliko načina kvara. Smola{1}}grafitna veza slabi, a čestice grafita se mogu pustiti u procesni tok. Gubitak smole sa površine stvara površinsku poroznost, povećavajući stvarnu površinu i ubrzavajući dalji napad. Na kraju se kroz zid cijevi razvija međusobno povezana poroznost, a procesni fluid curi kroz zid izmjenjivača topline.
| Parametar degradacije | Nepropusni grafit (fenolna smola) | Nepropusni grafit (furanska smola) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Struktura veziva/materijala | Fenolna smola u grafitnoj matrici | Furanska smola u grafitnoj matrici | Homogeni fluoropolimer |
| Otpornost na oksidaciju veziva | Loše (napao Fe³⁺) | Umjereno (bolje od fenola) | N/A (bez povezivača) |
| Brzina razgradnje smole na 80 stepeni u Fe₂(SO₄)₃ | 0,1-0,3 mm/god (površinska recesija) | 0,05-0,15 mm/god | 0 |
| Oslobađanje grafitnih čestica | Da (kako se smola razgrađuje) | Da (smanjena stopa) | Nema |
| Stanje površine nakon 2 godine | Porozna, hrapava | Umjereno hrapavi | Glatko, nepromijenjeno |
| Propustljivost nakon 3-5 godina | Može se razviti kroz-propuštanje kroz zid | Može se razviti kroz-propuštanje kroz zid | Nikad (nula propusnosti) |
| Vek trajanja u Fe₂(SO₄)₃ na 80 stepeni (godine) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
Povratne informacije o eroziji{0}}kompozitne degradacije
Degradacija smole stvara površinsku poroznost. Porozna površina je mehanički slabija od originalne površine impregnirane smolom{1}}. U tekućem rastvoru željeznog sulfata, porozna površina erodira brže nego glatka, nepropusna površina. Erozija uklanja degradiranu smolu i djelimično odvojene čestice grafita, izlažući svježi materijal kemijskom napadu.
Ova petlja povratne informacije-hemijski napad stvara poroznost, poroznost ubrzava eroziju, eroziju izlaže svježu površinu-znači da je stopa degradacije nepropusnog grafita brža nego što bi sama stopa hemijske oksidacije mogla predvidjeti. Kombinovana hemo{3}}mehanička degradacija određuje stvarni vijek trajanja.
PTFE nema takve povratne informacije. Homogena polimerna površina erodira polako i ravnomjerno pod protokom, bez kemijskog doprinosa gubitku materijala. Brzina erozije je određena isključivo brzinom fluida i abrazivnošću bilo koje suspendirane čvrste tvari-faktora koji utječu na oba materijala, ali su spojeni hemijskim napadom samo na grafit.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline nadmašuju nepropusni grafit u vrućim otopinama željeznog sulfata jer je PTFE homogen materijal bez veziva smole za oksidaciju. Nepropusni grafit se oslanja na impregnaciju fenolne ili furanske smole koju progresivno napada oksidirajući feri jon, stvarajući površinsku poroznost koja ubrzava eroziju i na kraju dovodi do-propuštanja kroz zid. PTFE pruža glatku, hemijski inertnu površinu koja se degradira samo sporom mehaničkom erozijom, isporučujući 15+ godina radnog vijeka u odnosu na 3-8 godina za nepropusni grafit.
Inženjerska podrška za specifikaciju PTFE izmjenjivača topline u primjenama željeznog sulfata i drugih oksidirajućih otopina dostupna je nakon podnošenja podataka o sastavu otopine, temperaturi, brzini protoka i trenutnom vijeku trajanja opreme.
