Kemija, ki napada titan
Titan je odporen na natrijev hipoklorit s tvorbo pasivnega oksidnega filma, ki je stabilen v nevtralnih in alkalnih raztopinah. Film je razlog, da se titan dobro obnese pri beljenju pri zmerni temperaturi in koncentraciji. Film se razgradi, ko se temperatura dvigne nad 70 stopinj, ko se koncentracija dvigne nad 15 % ali ko pH pade pod 9.
Stopnja korozije titana v hipokloritu pri 60 stopinjah in 12 % hipoklorita je običajno manjša od 0,05 mm na leto. Pri 80 stopinjah in 15 % hipoklorita se stopnja poveča na 0,3–0,8 mm na leto. Pri 90 stopinjah in 15 % hipoklorita lahko stopnja preseže 1,5 mm na leto.
Korozija se običajno začne na koncih cevi, kjer je hitrost pretoka nizka in temperatura visoka, ter na spojih cevi-in-cevne pločevine, kjer se zaradi geometrije špranje koncentrirajo jedke vrste. Korozija se kaže kot luknjičasta luknjica, ki predre steno cevi in povzroči puščanje.
Kemija, ki napada PTFE
PTFE je odporen na natrijev hipoklorit pri vseh koncentracijah in temperaturah v njegovem delovnem območju. Hipoklorit ali kavstična soda, ki stabilizirata belilo, ne napadata ogljikovih -fluorovih vezi. Material ne korodira, življenjsko dobo pa določajo mehanski dejavniki in ne kemični vplivi.
Edini mehanizem razgradnje PTFE v uporabi s hipokloritom je difuzija hipoklorita in kavstika v amorfna področja polimera. Difuzija je počasna, vpliv na mehanske lastnosti pa skromen. Življenjska doba toplotnega izmenjevalnika PTFE v uporabi s hipokloritom je običajno 12–18 let.
Vrzel toplotne prevodnosti
Toplotna prevodnost titana je približno 22 W/m·K v primerjavi z 0,25 W/m·K za PTFE. Razmerje je približno 88:1.
Za izmenjevalnik toplote, ki oddaja 40 kW v 12 % hipokloritu pri 60 stopinjah, zahteva enota iz titana približno 3 m² površine na podlagi skupnega koeficienta prenosa toplote 800 W/m²·K in logaritemske srednje temperaturne razlike 17 stopinj. PTFE enota za isto delovanje zahteva približno 12 m² površine na podlagi skupnega koeficienta 200 W/m·K in enake temperaturne razlike.
PTFE enota je 4-krat večja od titanove enote. Večja velikost poveča stroške kapitala, tlorisno površino in prostornino tekočine. Nižji toplotni tok zmanjša temperaturo stene cevi, kar je ugodno za proces, vendar večja površina zagotavlja tudi več površine za usedline in zahteva več časa za čiščenje.
Problem razgradnje pri povišani temperaturi
Natrijev hipoklorit razpada s hitrostjo, ki narašča s temperaturo. Pri 60 stopinjah je stopnja razgradnje približno 2 % na dan. Pri 70 stopinjah je stopnja približno 5 % na dan. Pri 80 stopinjah je stopnja približno 10 % na dan. Pri razgradnji nastajata plin klor in klorovodikova kislina, ki sta jedka za oba materiala.
Hitrost razgradnje omejuje praktično delovno temperaturo za titan in PTFE. Pri temperaturah nad 70 stopinj je stopnja razgradnje dovolj visoka, da je treba koncentracijo hipoklorita stalno dopolnjevati, plin klora pa odvajati. Pri izbiri materiala je treba upoštevati plin klor in produkte razgradnje.
Titan je še posebej občutljiv na klorovodikovo kislino, ki nastane pri razgradnji. Kislina znižuje pH in pospešuje korozijo titana. PTFE je odporen na klorovodikovo kislino in klorov plin, zato razgradnja ne vpliva na življenjsko dobo PTFE.
Primerjava dveh materialov pri beljenju s hipokloritom
Naslednja tabela povzema značilnosti delovanja in stroškov PTFE in titanovih toplotnih izmenjevalcev pri beljenju s hipokloritom pri 60 stopinjah z 12 % natrijevega hipoklorita.
| Značilno | Titanov toplotni izmenjevalec | PTFE izmenjevalnik toplote | Prednost |
|---|---|---|---|
| Toplotna prevodnost | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Titan |
| Skupni koeficient prenosa toplote | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Titan |
| Potrebna površina za 40 kW | 3 m² | 12 m² | Titan |
| Kemična odpornost na 12% hipoklorit pri 60 stopinjah | Odlično | Odlično | Enakopravni |
| Kemična odpornost na 15% hipoklorit pri 80 stopinjah | Ubogi | Odlično | PTFE |
| Kemična odpornost na plin klor | Zmerno | Odlično | PTFE |
| Najvišja delovna temperatura | 70 stopinj (praktično) | 260 stopinj | PTFE |
| Mehanska trdnost | visoko | Zmerno | Titan |
| Odpornost na toplotni udar | Zmerno | visoko | PTFE |
| Popravljivost | Omejeno | Dobro | PTFE |
| Življenjska doba pri uporabi hipoklorita | 5–8 let | 12–18 let | PTFE |
| Stroški kapitala za dajatev 40 kW | $32,000 | $34,000 | Titan |
| Stroški namestitve | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Letni stroški vzdrževanja | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Pet{0}}letni skupni strošek | $76,000 | $55,500 | PTFE |
Pet{0}}letne skupne vrednosti stroškov predvidevajo proizvodno vrednost 600 USD na uro in vključujejo kapitalske stroške, stroške namestitve in stroške vzdrževanja v petih letih.
Ko je Titanium boljša izbira
Titan je boljša izbira v več specifičnih aplikacijah.
Storitev pri nizkih{0}}temperaturah.Pri temperaturah pod 50 stopinj se titan brez težav upira hipokloritu, višja toplotna prevodnost pa zmanjša zahtevano površino in kapitalske stroške.
Storitev nizke-koncentracije.Pri koncentracijah pod 10 % je titan odporen na hipoklorit pri temperaturah do 60 stopinj, višja toplotna prevodnost pa zmanjša zahtevano površino.
Prostor{0}}omejene namestitve.Ko je razpoložljivi prostor zelo omejen, je lahko manjša enota iz titana edina izvedljiva možnost. PTFE enota bi zahtevala 4-kratno površino, ki morda ne bo ustrezala razpoložljivemu prostoru.
Storitev pod visokim{0}}tlakom.Titan ima večjo mehansko trdnost kot PTFE in lahko prenese višje pritiske. Za delo s hipokloritom pri tlakih nad 10 barov je lahko titan edina izvedljiva možnost.
Ko je PTFE boljša izbira
PTFE je boljša izbira v več specifičnih aplikacijah.
Storitev pri visoki{0}}temperaturi.Pri temperaturah nad 60 stopinj se PTFE upira produktom razgradnje bolje kot titan, življenjska doba pa je daljša.
Storitev visoke{0}}koncentracije.Pri koncentracijah nad 12 % je PTFE odporen proti hipokloritu in kavstiku bolje kot titan.
Izpostavljenost klorovemu plinu.Če pri razgradnji nastane plin klor, je PTFE bolj odporen na plin kot titan.
Storitev termocikliranja.PTFE ima višjo odpornost na toplotne udarce kot titan, zaradi česar je primeren za uporabo pri pogostih temperaturnih spremembah.
Zahteva po dolgi življenjski dobi.Če se pričakuje, da bo imel toplotni izmenjevalnik življenjsko dobo 10 let ali več, je PTFE boljša izbira, ker je odporen na kemične napade v daljšem obdobju.
Oblikovne lastnosti, ki podaljšujejo življenjsko dobo
Več konstrukcijskih značilnosti podaljšuje življenjsko dobo toplotnih izmenjevalnikov iz PTFE in titana pri beljenju s hipokloritom.
Nižja delovna temperatura.Zmanjšanje delovne temperature s 70 stopinj na 50 stopinj zmanjša stopnjo razgradnje in kemični napad na material izmenjevalnika toplote.
Nižja koncentracija.Zmanjšanje koncentracije hipoklorita s 15 % na 10 % zmanjša kemični napad in stopnjo razgradnje.
nadzor pH.Vzdrževanje pH nad 10 zmanjša korozijo titana in razgradnjo hipoklorita.
Nadzor hitrosti pretoka.Vzdrževanje zmerne hitrosti pretoka zmanjša debelino mejne plasti in koncentracijo produktov razgradnje na površini cevi.
-Določila za čiščenje na mestu.Priključki za dovod in povratek čistilne raztopine omogočajo čiščenje izmenjevalnika toplote brez demontaže, kar zmanjša čas izpada in izgubo proizvodnje.
Parametri specifikacije za storitev beljenja s hipokloritom
Inženirji opreme, ki ocenjujejo toplotne izmenjevalnike iz PTFE in titana za storitev beljenja s hipokloritom, morajo pri dobavitelju potrditi naslednje parametre.
Koncentracija hipoklorita.Navedite največjo koncentracijo in pričakovano območje.
Delovna temperatura.Določite najvišjo delovno temperaturo in pričakovan temperaturni profil.
pH.Določite območje pH in metodo nadzora.
Delovni tlak.Določite največji delovni tlak.
Toplotna obremenitev in površina.Določite toplotno obremenitev in zahtevano površino za vsako možnost materiala.
Hitrost razgradnje.Navedite pričakovano stopnjo razgradnje in stopnjo nastajanja klorovega plina.
Prostorske omejitve.Določite razpoložljivi prostor in največji dovoljeni odtis.
Zahtevana življenjska doba.Določite pričakovano življenjsko dobo in urnik zamenjave.
Ujemanje izbire materiala s pogoji uporabe hipoklorita
Izbira med PTFE in titanovimi izmenjevalniki toplote pri beljenju s hipokloritom je odvisna od temperature, koncentracije, pH in zahtevane življenjske dobe. Titan ima višjo toplotno prevodnost in zahteva manjšo površino, vendar je dovzeten za korozijo pri povišani temperaturi in visoki koncentraciji. PTFE ima nižjo toplotno prevodnost in zahteva večjo površino, vendar je odporen na hipoklorit pri vseh koncentracijah in temperaturah.
Odločitev o izbiri mora temeljiti na-specifični analizi objekta, ki vključuje stroške kapitala, stroške vzdrževanja in izpostavljenost izgubam pri proizvodnji. Preprost model preglednice s temi komponentami stroškov zagotavlja informacije, potrebne za odločitev.
Za objekte za beljenje s hipokloritom, ki ocenjujejo možnosti izmenjevalnika toplote, mora izbira materiala temeljiti na skupnih stroških lastništva v pričakovani življenjski dobi, ne le na kapitalskih stroških ali toplotni učinkovitosti. Enota iz titana z nižjimi kapitalskimi stroški ima lahko višje stroške v življenjski dobi, če jo je treba pogosto menjati.
Inženirji opreme in strokovnjaki za nabavo, ki ocenjujejo specifikacije toplotnega izmenjevalnika PTFE za hipokloritno belilo ali drugo oksidacijsko storitev, lahko zahtevajo pregled načrta, ki zajema koncentracijo hipoklorita, delovno temperaturo, pH, delovni tlak in zahteve glede življenjske dobe, da potrdijo, da je izbor materiala usklajen z dejanskimi pogoji uporabe in strukturo stroškov objekta.
