Težava z luščenjem mavca
Kalcijev sulfat škoduje toplotnim izmenjevalnikom v rudarstvu, predelavi mineralov in čiščenju industrijske odpadne vode. Sadra ima inverzno topnost-se lažje obarja, ko temperatura narašča. Najbolj vroča površina v sistemu, stena cevi izmenjevalnika toplote, postane prednostno mesto za nukleacijo in rast kristalov.
Običajno razumevanje pripisuje odpornost PTFE proti luščenju njegovi nizki površinski energiji. Kristali kalcijevega sulfata manj zlahka nukleirajo na ne-nelepljivi površini fluoropolimera kot na visoko{2}}energijskih kovinskih oksidih. Ta razlaga je pravilna, vendar nepopolna. Drugi mehanizem, povezan z obnašanjem toplotne mejne plasti, enako prispeva k razliki v stopnjah skaliranja med kovinskimi in PTFE površinami.
Dvojni mehanizem nastajanja lestvice
Tvorba vodnega kamna na površini za prenos toplote vključuje dva zaporedna koraka. Najprej morajo raztopljeni ioni difundirati skozi toplotno mejno plast, da dosežejo površino. Drugič, ko so ioni enkrat na površini, morajo nukleirati in zrasti v sprijete kristale.
Toplotna mejna plast je stoječa ali počasi premikajoča se plast tekočine ob steni cevi. Njegova debelina je odvisna od hitrosti tekočine, premera cevi in lastnosti tekočine. Znotraj te plasti se toplota prenaša s prevajanjem, kar ustvarja temperaturni gradient od temperature tekočine v razsutem stanju do temperature vročejše stene.
Za luščenje mavca je kritičen temperaturni gradient znotraj mejne plasti. Topnost kalcijevega sulfata se z naraščajočo temperaturo zmanjšuje. Tekočina na vmesniku stene je bolj vroča od tekočine v razsutem stanju, zato je bolj prenasičena glede na sadro. Stopnja prenasičenosti na steni določa gonilno silo za kristalizacijo.
Tabela 1: Mejna plast in parametri skaliranja za kovino v primerjavi s površinami iz PTFE (nasičena raztopina-mavca, 60 stopinj nasipa, 80 stopinj stene)
| Parameter | Nerjaveče jeklo | Titan | PTFE |
|---|---|---|---|
| Površinska energija (mN/m) | 40-50 | 35-45 | 18-20 |
| Toplotna prevodnost (W/m·K) | 16 | 22 | 0.25 |
| Padec temperature čez steno cevi (stopinj) | < 1 | < 1 | 8-12 |
| Prava temperatura površine stene (stopinj) | ~80 | ~80 | 68-72 |
| Razmerje prenasičenosti sadre na površini stene | 3.5-4.0× | 3.5-4.0× | 2.0-2.5× |
| Stopnja nukleacije (relativna) | 1.0 (izhodišče) | 0.9 | 0.2-0.3 |
| Adhezijska trdnost nanosa (relativna) | 1.0 (izhodišče) | 0.8 | 0.1-0.2 |
Prednost PTFE temperature stene
Nizka toplotna prevodnost PTFE, ki se običajno obravnava kot pomanjkljivost, zagotavlja nepričakovano prednost pri storitvi,-ki je nagnjena k skaliranju. Temperaturni gradient čez steno PTFE cevi je pomemben-običajno 8-12 stopinj za tuljavo, ogrevano s paro. Zunanja površina cevi, ki je v stiku s procesno tekočino, je bistveno nižja od temperature pare v notranjosti.
Kovinska cev z zanemarljivim stenskim uporom ima temperaturo zunanje površine skoraj enako notranji temperaturi pare. Če para pri 3 barih (143 stopinj) segreje procesno tekočino na 60 stopinj, je lahko zunanja površina kovinske cevi 80 stopinj. Zunanja površina PTFE cevi pod enakimi pogoji je lahko 68-72 stopinj.
Ta 10-stopinjska razlika zmanjša prenasičenost mavca na površini stene. Ker je hitrost nukleacije eksponentno odvisna od prenasičenosti, hladnejša površina PTFE spodbuja tvorbo kristalov z delčkom hitrosti na bolj vroči kovinski površini.
Učinek spojin. Manj nukleacije pomeni manj lestvice. Manj vodnega kamna pomeni, da se površinska temperatura PTFE ne dvigne več, ko nastane izolacijski sloj vodnega kamna. Na kovinski površini, ki hitreje nabira kamen, se temperatura stene dvigne, ko jo kamen izolira, kar dodatno poveča prenasičenost in pospeši skaliranje v destruktivni povratni zanki.
Površinska energija: drugi dejavnik
Nizka površinska energija PTFE zagotavlja drugo zaščito pred skaliranjem. Tudi če kristali nastanejo v bližini površine PTFE, se slabo oprimejo. Medfazna vez med hidrofilnim kristalom mavca in hidrofobno površino fluoropolimera je šibka. Strižna tekočina iz normalnega toka premakne nastajajoče kristale, preden zrastejo dovolj, da tvorijo koherentno plast lusk.
Površine kovinskega oksida z visoko površinsko energijo in bogatimi hidroksilnimi skupinami tvorijo močne vezi s kristali kalcijevega sulfata. Ko enoplast mavca nastane na kovini, pride do nadaljnje rasti kristalov na obstoječem sloju mavca. Prednost površinske energije zagona na čisti kovinski površini se takoj izgubi.
Kombinirani učinek v industrijskih storitvah
Kombinacija nižje dejanske temperature stene in nižje površinske energije daje PTFE odpornost na skaliranje, kar potrjujejo izkušnje na terenu. V mavčno-nasičenih raztopinah, kjer je treba tuljave iz nerjavnega jekla odstraniti vodni kamen vsakih 4-8 tednov, PTFE tuljave delujejo 6-12 mesecev ali dlje brez znatnega kopičenja vodnega kamna. Dvojni mehanizem pojasnjuje, zakaj je PTFE boljši od samega argumenta o nizki površinski energiji.
Povzetek
Površine izmenjevalnika toplote iz PTFE se upirajo nastajanju lusk iz mavca prek dveh mehanizmov: nižja dejanska temperatura stene od toplotnega gradienta čez steno cevi z nizko{0}}prevodnostjo, kar zmanjšuje prenasičenost in pogonsko silo nukleacije; in nizko površinsko energijo, ki preprečuje močan oprijem kristalov, ki nastanejo. Kovinske površine trpijo tako zaradi višje temperature stene, ki vodi do hitrejše nukleacije, kot zaradi višje površinske energije, ki tesno veže kristale.
Kombinirani učinek povzroči stopnje skaliranja na kovini, ki presegajo tiste na PTFE za faktor 3-5 ali več. Pomanjkljivost toplotne prevodnosti PTFE postane prednost proti -nabiranju vodnega kamna pri storitvah, nasičenih z mavcem.
Inženirska analiza za odpornost toplotnega izmenjevalnika PTFE proti vodnemu kamnu v specifičnih rešitvah,-ki so nagnjene k nastajanju vodnega kamna, je na voljo ob predložitvi kemije raztopine, delovnih temperatur, trenutnih podatkov o stopnjah vodnega kamna in zgodovine pogostosti čiščenja.
