Temperatura stene, ki določa mehanizem razgradnje
Linija za eloksiranje žveplove kisline, ki deluje pri 20 stopinjah s 15 % žveplove kisline, zahteva toplotni izmenjevalnik za hlajenje. Temperatura stene cevi je blizu procesne temperature, ker je toplotni tok nizek in je hladilna voda le nekaj stopinj pod procesno. PTFE cev deluje pri 20–25 stopinjah, kar je daleč pod temperaturo, pri kateri postane aktiven kateri koli mehanizem razgradnje. Življenjska doba cevi je določena z mehanskimi dejavniki, življenjska doba pa je 15–20 let.
Obrat za kemično obdelavo, ki koncentrira žveplovo kislino pri 150 stopinjah, zahteva toplotni izmenjevalnik za ogrevanje. Temperaturo stene cevi določata toplotni tok in toplotni upor stene cevi. Pri toplotnem toku 2,0 W/cm² in debelini stene 0,8 mm je temperatura stene približno 215 stopinj. Pri tej temperaturi žveplova kislina napade PTFE z merljivo hitrostjo, življenjsko dobo cevi pa določa kemična razgradnja in ne mehanski dejavniki.
Temperaturni prag stene med tema dvema režimoma je približno 180–200 stopinj za žveplovo kislino. Pod tem pragom je stopnja razgradnje počasna, življenjsko dobo cevi pa določajo mehanski dejavniki. Nad tem pragom se stopnja razgradnje hitro poveča, življenjska doba cevi pa se zmanjša z naraščajočo temperaturo.
Mehanizem kemijske razgradnje nad pragom
Razgradnja PTFE v vroči žveplovi kislini poteka z oksidacijo amorfnih območij polimera. Žveplova kislina, zlasti pri visoki koncentraciji, je močno oksidacijsko sredstvo pri povišani temperaturi. Kislina napade konce verige in okvarjena mesta v amorfnih regijah, prekine polimerne verige in ustvari manjše delce, ki se raztopijo ali jih odnese procesna tekočina.
Hitrost razgradnje eksponentno narašča s temperaturo. Zvišanje temperature za 10 stopinj približno podvoji stopnjo razgradnje. Razlika med 180 stopinjami in 220 stopinjami je faktor 16 v stopnji razgradnje.
Razgradnja ni enakomerna po steni cevi. Napad se začne na površini in se širi navznoter. Površina postane hrapava in porozna, mehanska trdnost pa se zmanjša. Stena cevi se sčasoma stanjša in sčasoma cev poči.
Učinek koncentracije kisline
Hitrost razgradnje je odvisna od koncentracije žveplove kisline. Razredčena žveplova kislina (pod 50 %) ima manjši oksidacijski potencial kot koncentrirana kislina (nad 90 %). Hitrost razgradnje v 50 % žveplovi kislini pri 200 stopinjah je približno polovica hitrosti v 98 % žveplovi kislini pri isti temperaturi.
Učinek koncentracije je še posebej pomemben pri storitvah koncentracije žveplove kisline, kjer koncentracija kisline narašča, ko voda izhlapeva. Cevi izmenjevalnika toplote na koncentriranem koncu sistema vidijo višjo koncentracijo kisline in višjo stopnjo razgradnje kot cevi na razredčenem koncu.
Učinek oksidacijskih onesnaževal
Hitrost razgradnje se pospeši z oksidacijo kontaminantov v žveplovi kislini. Dušikova kislina, kromova kislina in vodikov peroksid so pogosti onesnaževalci, ki povečajo oksidacijski potencial kisline. Že nekaj odstotkov dušikove kisline lahko poveča stopnjo razgradnje za faktor dva do tri.
Onesnaževalci vplivajo tudi na najvišjo dovoljeno temperaturo stene. V čisti žveplovi kislini je prag približno 200 stopinj. V žveplovi kislini, ki vsebuje 5 % dušikove kisline, je prag približno 170 stopinj. V žveplovi kislini, ki vsebuje 10 % dušikove kisline, je mejna vrednost približno 150 stopinj.
Kvantificiranje dovoljene temperature sten
Naslednja tabela povzema najvišjo dovoljeno temperaturo stene za različne pogoje uporabe žveplove kisline, ki temelji na zahtevani življenjski dobi 10 let.
| Koncentracija kisline | Oksidativne kontaminante | Najvišja dovoljena temperatura stene | Stopnja razgradnje na meji | Priporočena debelina stene cevi |
|---|---|---|---|---|
| 15 % H₂SO₄ | Noben | 220 stopinj | 0,05 mm/leto | 0,8 mm |
| 30 % H₂SO₄ | Noben | 210 stopinj | 0,06 mm/leto | 0,8 mm |
| 50 % H₂SO₄ | Noben | 200 stopinj | 0,07 mm/leto | 0,8 mm |
| 70 % H₂SO₄ | Noben | 190 stopinj | 0,08 mm/leto | 0,8 mm |
| 98 % H₂SO₄ | Noben | 180 stopinj | 0,10 mm/leto | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 5% HNO3 | 170 stopinj | 0,10 mm/leto | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 10 % HNO3 | 150 stopinj | 0,12 mm/leto | 1,0 mm |
| 98 % H₂SO₄ | 5% HNO3 | 150 stopinj | 0,15 mm/leto | 1,2 mm |
Najvišje dovoljene vrednosti temperature stene predvidevajo zahtevano življenjsko dobo 10 let in najmanjšo dovoljeno debelino stene 0,3 mm. Stopnje razgradnje temeljijo na terenskih podatkih iz službe za žveplovo kislino in laboratorijskih testiranjih.
Interakcija mehanskega stresa
Na največjo dovoljeno temperaturo stene vpliva mehanska obremenitev cevi. Kombinacija toplotne obremenitve in tlačne obremenitve zmanjša dovoljeno temperaturo, ker stopnja razgradnje narašča s obremenitvijo.
Mehanska obremenitev ima dva učinka. Prvič, stres poveča hitrost difuzije kisline v PTFE z odpiranjem amorfnih območij polimera. Drugič, napetost zmanjša mehansko trdnost cevi, kar zmanjša dovoljeno izgubo stene pred zlomom.
Učinek napetosti je še posebej pomemben na spojih cevi-in-cevne pločevine, kjer je koncentracija napetosti največja. Najvišja dovoljena temperatura stene na spoju je običajno 10–20 stopinj nižja kot v telesu cevi.
Oblikovne lastnosti, ki znižujejo temperaturo sten
Več konstrukcijskih značilnosti zmanjša temperaturo stene cevi za določeno toplotno obremenitev.
Večja površina.Večja površina zmanjša toplotni tok, kar zmanjša temperaturo stene. Povečanje površine za 50 % zmanjša toplotni tok in temperaturo stene za približno 33 %.
Tanjša stena cevi.Tanjša stena zmanjša toplotni upor in temperaturo stene pri enakem toplotnem toku. Stena debeline 0,5 mm ima polovico manjšo toplotno odpornost kot stena debeline 1,0 mm.
Material cevi z večjo prevodnostjo.Polnjena PTFE zmes s toplotno prevodnostjo 0,5 W/m·K ima polovico manjšo toplotno odpornost stene kot prvi PTFE.
Večja hitrost procesnega toka.Večja hitrost pretoka poveča koeficient filma-na strani procesa in zmanjša temperaturo stene.
Večja-hitrost pretoka na servisni strani.Višja hitrost pare ali vroče vode poveča koeficient filma-na servisni strani in zmanjša temperaturo stene.
Zbirka porazdelitve toka.Zbirka za porazdelitev pretoka zagotavlja enakomeren pretok po cevnem snopu, kar preprečuje lokalizirana vroča mesta.
Primerjava materialov cevi za visoko{0}}temperaturno žveplovo kislino
Naslednja tabela povzema najvišjo dovoljeno temperaturo stene in življenjsko dobo za različne materiale PTFE cevi pri uporabi z 98 % žveplovo kislino pri toplotnem toku 1,5 W/cm².
| Material cevi | Toplotna prevodnost | Temperatura stene pri 1,5 W/cm² | Življenjska doba pri 180 stopinjah | Življenjska doba pri 200 stopinjah | Življenjska doba pri 220 stopinjah |
|---|---|---|---|---|---|
| Virgin PTFE | 0.25 W/m·K | 210 stopinj | 10–15 let | 5–8 let | 2–3 leta |
| Visok{0}}kristaliničen PTFE | 0.26 W/m·K | 205 stopinj | 12–18 let | 6–10 let | 3–4 leta |
| PTFE-napolnjen z grafitom | 0.50 W/m·K | 165 stopinj | 15–20 let | 10–15 let | 5–8 let |
| PTFE,-polnjen z ogljikom | 0.65 W/m·K | 150 stopinj | 15–20 let | 12–18 let | 8–12 let |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 stopinj | 8–12 let | 4–6 let | 1–2 leti |
Vrednosti življenjske dobe so ocene na podlagi terenskih podatkov in laboratorijskih testiranj. Dejanska življenjska doba se bo razlikovala glede na kislinsko kemijo, mehansko obremenitev in delovne prakse.
Parametri specifikacije za žveplovo kislino
Inženirji opreme, ki določajo PTFE izmenjevalnik toplote za žveplovo kislino, morajo potrditi naslednje parametre pri dobavitelju.
Koncentracija kisline.Navedite največjo koncentracijo in pričakovano območje.
Oksidativni onesnaževalci.Določite koncentracijo dušikove kisline, kromove kisline, vodikovega peroksida ali drugih oksidantov.
Delovna temperatura.Določite najvišjo delovno temperaturo in pričakovan temperaturni profil.
Toplotna obremenitev in površina.Določite toplotno obremenitev in potrebno površino.
Toplotni tok.Določite največji dovoljeni toplotni tok glede na mejno temperaturo stene.
Debelina stene cevi.Določite debelino stene cevi glede na toplotni tok in dovoljeno temperaturo stene.
Material cevi.Določite material cevi glede na temperaturo stene in stopnjo razgradnje.
Zahtevana življenjska doba.Določite pričakovano življenjsko dobo in urnik zamenjave.
Nadzor temperature.Določite temperaturne senzorje in način nadzora za spremljanje temperature stene.
Usklajevanje temperature stene z zahtevami glede življenjske dobe
Najvišja dovoljena temperatura stene za cevi toplotnega izmenjevalnika PTFE pri delu z žveplovo kislino je odvisna od koncentracije kisline, oksidacijskih onesnaževalcev in zahtevane življenjske dobe. Pod pragom 180–200 stopinj je stopnja razgradnje počasna, življenjsko dobo cevi pa določajo mehanski dejavniki. Nad pragom se stopnja razgradnje eksponentno poveča, življenjska doba cevi pa se hitro zmanjšuje z naraščajočo temperaturo.
Temperaturo stene je treba izbrati glede na zahtevano življenjsko dobo in skupne stroške lastništva. Nižja temperatura stene zahteva večjo površino ali material cevi z večjo prevodnostjo, kar poveča stroške kapitala. Toda nižja temperatura stene podaljša življenjsko dobo cevi in zmanjša stroške vzdrževanja.
Za servisne objekte za žveplovo kislino, ki ocenjujejo možnosti toplotnega izmenjevalnika PTFE, je treba temperaturo stene določiti v dokumentaciji javnega naročila in preveriti ob zagonu. Privzeta konfiguracija, ki jo zagotovi proizvajalec, je lahko optimizirana za kompaktnost in ne za življenjsko dobo, posledična temperatura stene pa lahko preseže prag poslabšanja.
Inženirji opreme in strokovnjaki za nabavo, ki ocenjujejo specifikacije toplotnega izmenjevalnika PTFE za žveplovo kislino ali druge jedke storitve, lahko zahtevajo pregled načrta, ki zajema koncentracijo kisline, oksidativne onesnaževalce, delovno temperaturo, toplotni tok, debelino stene cevi in material cevi, da potrdijo, da enota ustreza dejanskim pogojem delovanja in zahtevam glede življenjske dobe objekta.
Temperatura stene, ki določa mehanizem razgradnje
Linija za eloksiranje žveplove kisline, ki deluje pri 20 stopinjah s 15 % žveplove kisline, zahteva toplotni izmenjevalnik za hlajenje. Temperatura stene cevi je blizu procesne temperature, ker je toplotni tok nizek in je hladilna voda le nekaj stopinj pod procesno. PTFE cev deluje pri 20–25 stopinjah, kar je daleč pod temperaturo, pri kateri postane aktiven kateri koli mehanizem razgradnje. Življenjska doba cevi je določena z mehanskimi dejavniki, življenjska doba pa je 15–20 let.
Obrat za kemično obdelavo, ki koncentrira žveplovo kislino pri 150 stopinjah, zahteva toplotni izmenjevalnik za ogrevanje. Temperaturo stene cevi določata toplotni tok in toplotni upor stene cevi. Pri toplotnem toku 2,0 W/cm² in debelini stene 0,8 mm je temperatura stene približno 215 stopinj. Pri tej temperaturi žveplova kislina napade PTFE z merljivo hitrostjo, življenjsko dobo cevi pa določa kemična razgradnja in ne mehanski dejavniki.
Temperaturni prag stene med tema dvema režimoma je približno 180–200 stopinj za žveplovo kislino. Pod tem pragom je stopnja razgradnje počasna, življenjsko dobo cevi pa določajo mehanski dejavniki. Nad tem pragom se stopnja razgradnje hitro poveča, življenjska doba cevi pa se zmanjša z naraščajočo temperaturo.
Mehanizem kemijske razgradnje nad pragom
Razgradnja PTFE v vroči žveplovi kislini poteka z oksidacijo amorfnih območij polimera. Žveplova kislina, zlasti pri visoki koncentraciji, je močno oksidacijsko sredstvo pri povišani temperaturi. Kislina napade konce verige in okvarjena mesta v amorfnih regijah, prekine polimerne verige in ustvari manjše delce, ki se raztopijo ali jih odnese procesna tekočina.
Hitrost razgradnje eksponentno narašča s temperaturo. Zvišanje temperature za 10 stopinj približno podvoji stopnjo razgradnje. Razlika med 180 stopinjami in 220 stopinjami je faktor 16 v stopnji razgradnje.
Razgradnja ni enakomerna po steni cevi. Napad se začne na površini in se širi navznoter. Površina postane hrapava in porozna, mehanska trdnost pa se zmanjša. Stena cevi se sčasoma stanjša in sčasoma cev poči.
Učinek koncentracije kisline
Hitrost razgradnje je odvisna od koncentracije žveplove kisline. Razredčena žveplova kislina (pod 50 %) ima manjši oksidacijski potencial kot koncentrirana kislina (nad 90 %). Hitrost razgradnje v 50 % žveplovi kislini pri 200 stopinjah je približno polovica hitrosti v 98 % žveplovi kislini pri isti temperaturi.
Učinek koncentracije je še posebej pomemben pri storitvah koncentracije žveplove kisline, kjer koncentracija kisline narašča, ko voda izhlapeva. Cevi izmenjevalnika toplote na koncentriranem koncu sistema vidijo višjo koncentracijo kisline in višjo stopnjo razgradnje kot cevi na razredčenem koncu.
Učinek oksidacijskih onesnaževal
Hitrost razgradnje se pospeši z oksidacijo kontaminantov v žveplovi kislini. Dušikova kislina, kromova kislina in vodikov peroksid so pogosti onesnaževalci, ki povečajo oksidacijski potencial kisline. Že nekaj odstotkov dušikove kisline lahko poveča stopnjo razgradnje za faktor dva do tri.
Onesnaževalci vplivajo tudi na najvišjo dovoljeno temperaturo stene. V čisti žveplovi kislini je prag približno 200 stopinj. V žveplovi kislini, ki vsebuje 5 % dušikove kisline, je prag približno 170 stopinj. V žveplovi kislini, ki vsebuje 10 % dušikove kisline, je mejna vrednost približno 150 stopinj.
Kvantificiranje dovoljene temperature sten
Naslednja tabela povzema najvišjo dovoljeno temperaturo stene za različne pogoje uporabe žveplove kisline, ki temelji na zahtevani življenjski dobi 10 let.
| Koncentracija kisline | Oksidativne kontaminante | Najvišja dovoljena temperatura stene | Stopnja razgradnje na meji | Priporočena debelina stene cevi |
|---|---|---|---|---|
| 15 % H₂SO₄ | Noben | 220 stopinj | 0,05 mm/leto | 0,8 mm |
| 30 % H₂SO₄ | Noben | 210 stopinj | 0,06 mm/leto | 0,8 mm |
| 50 % H₂SO₄ | Noben | 200 stopinj | 0,07 mm/leto | 0,8 mm |
| 70 % H₂SO₄ | Noben | 190 stopinj | 0,08 mm/leto | 0,8 mm |
| 98 % H₂SO₄ | Noben | 180 stopinj | 0,10 mm/leto | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 5% HNO3 | 170 stopinj | 0,10 mm/leto | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 10 % HNO3 | 150 stopinj | 0,12 mm/leto | 1,0 mm |
| 98 % H₂SO₄ | 5% HNO3 | 150 stopinj | 0,15 mm/leto | 1,2 mm |
Najvišje dovoljene vrednosti temperature stene predvidevajo zahtevano življenjsko dobo 10 let in najmanjšo dovoljeno debelino stene 0,3 mm. Stopnje razgradnje temeljijo na terenskih podatkih iz službe za žveplovo kislino in laboratorijskih testiranjih.
Interakcija mehanskega stresa
Na največjo dovoljeno temperaturo stene vpliva mehanska obremenitev cevi. Kombinacija toplotne obremenitve in tlačne obremenitve zmanjša dovoljeno temperaturo, ker stopnja razgradnje narašča s obremenitvijo.
Mehanska obremenitev ima dva učinka. Prvič, stres poveča hitrost difuzije kisline v PTFE z odpiranjem amorfnih območij polimera. Drugič, napetost zmanjša mehansko trdnost cevi, kar zmanjša dovoljeno izgubo stene pred zlomom.
Učinek napetosti je še posebej pomemben na spojih cevi-in-cevne pločevine, kjer je koncentracija napetosti največja. Najvišja dovoljena temperatura stene na spoju je običajno 10–20 stopinj nižja kot v telesu cevi.
Oblikovne lastnosti, ki znižujejo temperaturo sten
Več konstrukcijskih značilnosti zmanjša temperaturo stene cevi za določeno toplotno obremenitev.
Večja površina.Večja površina zmanjša toplotni tok, kar zmanjša temperaturo stene. Povečanje površine za 50 % zmanjša toplotni tok in temperaturo stene za približno 33 %.
Tanjša stena cevi.Tanjša stena zmanjša toplotni upor in temperaturo stene pri enakem toplotnem toku. Stena debeline 0,5 mm ima polovico manjšo toplotno odpornost kot stena debeline 1,0 mm.
Material cevi z večjo prevodnostjo.Polnjena PTFE zmes s toplotno prevodnostjo 0,5 W/m·K ima polovico manjšo toplotno odpornost stene kot prvi PTFE.
Večja hitrost procesnega toka.Večja hitrost pretoka poveča koeficient filma-na strani procesa in zmanjša temperaturo stene.
Večja-hitrost pretoka na servisni strani.Višja hitrost pare ali vroče vode poveča koeficient filma-na servisni strani in zmanjša temperaturo stene.
Zbirka porazdelitve toka.Zbirka za porazdelitev pretoka zagotavlja enakomeren pretok po cevnem snopu, kar preprečuje lokalizirana vroča mesta.
Primerjava materialov cevi za visoko{0}}temperaturno žveplovo kislino
Naslednja tabela povzema najvišjo dovoljeno temperaturo stene in življenjsko dobo za različne materiale PTFE cevi pri uporabi z 98 % žveplovo kislino pri toplotnem toku 1,5 W/cm².
| Material cevi | Toplotna prevodnost | Temperatura stene pri 1,5 W/cm² | Življenjska doba pri 180 stopinjah | Življenjska doba pri 200 stopinjah | Življenjska doba pri 220 stopinjah |
|---|---|---|---|---|---|
| Virgin PTFE | 0.25 W/m·K | 210 stopinj | 10–15 let | 5–8 let | 2–3 leta |
| Visok{0}}kristaliničen PTFE | 0.26 W/m·K | 205 stopinj | 12–18 let | 6–10 let | 3–4 leta |
| PTFE-napolnjen z grafitom | 0.50 W/m·K | 165 stopinj | 15–20 let | 10–15 let | 5–8 let |
| PTFE,-polnjen z ogljikom | 0.65 W/m·K | 150 stopinj | 15–20 let | 12–18 let | 8–12 let |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 stopinj | 8–12 let | 4–6 let | 1–2 leti |
Vrednosti življenjske dobe so ocene na podlagi terenskih podatkov in laboratorijskih testiranj. Dejanska življenjska doba se bo razlikovala glede na kislinsko kemijo, mehansko obremenitev in delovne prakse.
Parametri specifikacije za žveplovo kislino
Inženirji opreme, ki določajo PTFE izmenjevalnik toplote za žveplovo kislino, morajo potrditi naslednje parametre pri dobavitelju.
Koncentracija kisline.Navedite največjo koncentracijo in pričakovano območje.
Oksidativni onesnaževalci.Določite koncentracijo dušikove kisline, kromove kisline, vodikovega peroksida ali drugih oksidantov.
Delovna temperatura.Določite najvišjo delovno temperaturo in pričakovan temperaturni profil.
Toplotna obremenitev in površina.Določite toplotno obremenitev in potrebno površino.
Toplotni tok.Določite največji dovoljeni toplotni tok glede na mejno temperaturo stene.
Debelina stene cevi.Določite debelino stene cevi glede na toplotni tok in dovoljeno temperaturo stene.
Material cevi.Določite material cevi glede na temperaturo stene in stopnjo razgradnje.
Zahtevana življenjska doba.Določite pričakovano življenjsko dobo in urnik zamenjave.
Nadzor temperature.Določite temperaturne senzorje in način nadzora za spremljanje temperature stene.
Usklajevanje temperature stene z zahtevami glede življenjske dobe
Najvišja dovoljena temperatura stene za cevi toplotnega izmenjevalnika PTFE pri delu z žveplovo kislino je odvisna od koncentracije kisline, oksidacijskih onesnaževalcev in zahtevane življenjske dobe. Pod pragom 180–200 stopinj je stopnja razgradnje počasna, življenjsko dobo cevi pa določajo mehanski dejavniki. Nad pragom se stopnja razgradnje eksponentno poveča, življenjska doba cevi pa se hitro zmanjšuje z naraščajočo temperaturo.
Temperaturo stene je treba izbrati glede na zahtevano življenjsko dobo in skupne stroške lastništva. Nižja temperatura stene zahteva večjo površino ali material cevi z večjo prevodnostjo, kar poveča stroške kapitala. Toda nižja temperatura stene podaljša življenjsko dobo cevi in zmanjša stroške vzdrževanja.
Za servisne objekte za žveplovo kislino, ki ocenjujejo možnosti toplotnega izmenjevalnika PTFE, je treba temperaturo stene določiti v dokumentaciji javnega naročila in preveriti ob zagonu. Privzeta konfiguracija, ki jo zagotovi proizvajalec, je lahko optimizirana za kompaktnost in ne za življenjsko dobo, posledična temperatura stene pa lahko preseže prag poslabšanja.
Inženirji opreme in strokovnjaki za nabavo, ki ocenjujejo specifikacije toplotnega izmenjevalnika PTFE za žveplovo kislino ali druge jedke storitve, lahko zahtevajo pregled načrta, ki zajema koncentracijo kisline, oksidativne onesnaževalce, delovno temperaturo, toplotni tok, debelino stene cevi in material cevi, da potrdijo, da enota ustreza dejanskim pogojem delovanja in zahtevam glede življenjske dobe objekta.
Temperatura stene, ki določa mehanizem razgradnje
Linija za eloksiranje žveplove kisline, ki deluje pri 20 stopinjah s 15 % žveplove kisline, zahteva toplotni izmenjevalnik za hlajenje. Temperatura stene cevi je blizu procesne temperature, ker je toplotni tok nizek in je hladilna voda le nekaj stopinj pod procesno. PTFE cev deluje pri 20–25 stopinjah, kar je daleč pod temperaturo, pri kateri postane aktiven kateri koli mehanizem razgradnje. Življenjska doba cevi je določena z mehanskimi dejavniki, življenjska doba pa je 15–20 let.
Obrat za kemično obdelavo, ki koncentrira žveplovo kislino pri 150 stopinjah, zahteva toplotni izmenjevalnik za ogrevanje. Temperaturo stene cevi določata toplotni tok in toplotni upor stene cevi. Pri toplotnem toku 2,0 W/cm² in debelini stene 0,8 mm je temperatura stene približno 215 stopinj. Pri tej temperaturi žveplova kislina napade PTFE z merljivo hitrostjo, življenjsko dobo cevi pa določa kemična razgradnja in ne mehanski dejavniki.
Temperaturni prag stene med tema dvema režimoma je približno 180–200 stopinj za žveplovo kislino. Pod tem pragom je stopnja razgradnje počasna, življenjsko dobo cevi pa določajo mehanski dejavniki. Nad tem pragom se stopnja razgradnje hitro poveča, življenjska doba cevi pa se zmanjša z naraščajočo temperaturo.
Mehanizem kemijske razgradnje nad pragom
Razgradnja PTFE v vroči žveplovi kislini poteka z oksidacijo amorfnih območij polimera. Žveplova kislina, zlasti pri visoki koncentraciji, je močno oksidacijsko sredstvo pri povišani temperaturi. Kislina napade konce verige in okvarjena mesta v amorfnih regijah, prekine polimerne verige in ustvari manjše delce, ki se raztopijo ali jih odnese procesna tekočina.
Hitrost razgradnje eksponentno narašča s temperaturo. Zvišanje temperature za 10 stopinj približno podvoji stopnjo razgradnje. Razlika med 180 stopinjami in 220 stopinjami je faktor 16 v stopnji razgradnje.
Razgradnja ni enakomerna po steni cevi. Napad se začne na površini in se širi navznoter. Površina postane hrapava in porozna, mehanska trdnost pa se zmanjša. Stena cevi se sčasoma stanjša in sčasoma cev poči.
Učinek koncentracije kisline
Hitrost razgradnje je odvisna od koncentracije žveplove kisline. Razredčena žveplova kislina (pod 50 %) ima manjši oksidacijski potencial kot koncentrirana kislina (nad 90 %). Hitrost razgradnje v 50 % žveplovi kislini pri 200 stopinjah je približno polovica hitrosti v 98 % žveplovi kislini pri isti temperaturi.
Učinek koncentracije je še posebej pomemben pri storitvah koncentracije žveplove kisline, kjer koncentracija kisline narašča, ko voda izhlapeva. Cevi izmenjevalnika toplote na koncentriranem koncu sistema vidijo višjo koncentracijo kisline in višjo stopnjo razgradnje kot cevi na razredčenem koncu.
Učinek oksidacijskih onesnaževal
Hitrost razgradnje se pospeši z oksidacijo kontaminantov v žveplovi kislini. Dušikova kislina, kromova kislina in vodikov peroksid so pogosti onesnaževalci, ki povečajo oksidacijski potencial kisline. Že nekaj odstotkov dušikove kisline lahko poveča stopnjo razgradnje za faktor dva do tri.
Onesnaževalci vplivajo tudi na najvišjo dovoljeno temperaturo stene. V čisti žveplovi kislini je prag približno 200 stopinj. V žveplovi kislini, ki vsebuje 5 % dušikove kisline, je prag približno 170 stopinj. V žveplovi kislini, ki vsebuje 10 % dušikove kisline, je mejna vrednost približno 150 stopinj.
Kvantificiranje dovoljene temperature sten
Naslednja tabela povzema najvišjo dovoljeno temperaturo stene za različne pogoje uporabe žveplove kisline, ki temelji na zahtevani življenjski dobi 10 let.
| Koncentracija kisline | Oksidativne kontaminante | Najvišja dovoljena temperatura stene | Stopnja razgradnje na meji | Priporočena debelina stene cevi |
|---|---|---|---|---|
| 15 % H₂SO₄ | Noben | 220 stopinj | 0,05 mm/leto | 0,8 mm |
| 30 % H₂SO₄ | Noben | 210 stopinj | 0,06 mm/leto | 0,8 mm |
| 50 % H₂SO₄ | Noben | 200 stopinj | 0,07 mm/leto | 0,8 mm |
| 70 % H₂SO₄ | Noben | 190 stopinj | 0,08 mm/leto | 0,8 mm |
| 98 % H₂SO₄ | Noben | 180 stopinj | 0,10 mm/leto | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 5% HNO3 | 170 stopinj | 0,10 mm/leto | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 10 % HNO3 | 150 stopinj | 0,12 mm/leto | 1,0 mm |
| 98 % H₂SO₄ | 5% HNO3 | 150 stopinj | 0,15 mm/leto | 1,2 mm |
Najvišje dovoljene vrednosti temperature stene predvidevajo zahtevano življenjsko dobo 10 let in najmanjšo dovoljeno debelino stene 0,3 mm. Stopnje razgradnje temeljijo na terenskih podatkih iz službe za žveplovo kislino in laboratorijskih testiranjih.
Interakcija mehanskega stresa
Na največjo dovoljeno temperaturo stene vpliva mehanska obremenitev cevi. Kombinacija toplotne obremenitve in tlačne obremenitve zmanjša dovoljeno temperaturo, ker stopnja razgradnje narašča s obremenitvijo.
Mehanska obremenitev ima dva učinka. Prvič, stres poveča hitrost difuzije kisline v PTFE z odpiranjem amorfnih območij polimera. Drugič, napetost zmanjša mehansko trdnost cevi, kar zmanjša dovoljeno izgubo stene pred zlomom.
Učinek napetosti je še posebej pomemben na spojih cevi-in-cevne pločevine, kjer je koncentracija napetosti največja. Najvišja dovoljena temperatura stene na spoju je običajno 10–20 stopinj nižja kot v telesu cevi.
Oblikovne lastnosti, ki znižujejo temperaturo sten
Več konstrukcijskih značilnosti zmanjša temperaturo stene cevi za določeno toplotno obremenitev.
Večja površina.Večja površina zmanjša toplotni tok, kar zmanjša temperaturo stene. Povečanje površine za 50 % zmanjša toplotni tok in temperaturo stene za približno 33 %.
Tanjša stena cevi.Tanjša stena zmanjša toplotni upor in temperaturo stene pri enakem toplotnem toku. Stena debeline 0,5 mm ima polovico manjšo toplotno odpornost kot stena debeline 1,0 mm.
Material cevi z večjo prevodnostjo.Polnjena PTFE zmes s toplotno prevodnostjo 0,5 W/m·K ima polovico manjšo toplotno odpornost stene kot prvi PTFE.
Večja hitrost procesnega toka.Večja hitrost pretoka poveča koeficient filma-na strani procesa in zmanjša temperaturo stene.
Večja-hitrost pretoka na servisni strani.Višja hitrost pare ali vroče vode poveča koeficient filma-na servisni strani in zmanjša temperaturo stene.
Zbirka porazdelitve toka.Zbirka za porazdelitev pretoka zagotavlja enakomeren pretok po cevnem snopu, kar preprečuje lokalizirana vroča mesta.
Primerjava materialov cevi za visoko{0}}temperaturno žveplovo kislino
Naslednja tabela povzema najvišjo dovoljeno temperaturo stene in življenjsko dobo za različne materiale PTFE cevi pri uporabi z 98 % žveplovo kislino pri toplotnem toku 1,5 W/cm².
| Material cevi | Toplotna prevodnost | Temperatura stene pri 1,5 W/cm² | Življenjska doba pri 180 stopinjah | Življenjska doba pri 200 stopinjah | Življenjska doba pri 220 stopinjah |
|---|---|---|---|---|---|
| Virgin PTFE | 0.25 W/m·K | 210 stopinj | 10–15 let | 5–8 let | 2–3 leta |
| Visok{0}}kristaliničen PTFE | 0.26 W/m·K | 205 stopinj | 12–18 let | 6–10 let | 3–4 leta |
| PTFE-napolnjen z grafitom | 0.50 W/m·K | 165 stopinj | 15–20 let | 10–15 let | 5–8 let |
| PTFE,-polnjen z ogljikom | 0.65 W/m·K | 150 stopinj | 15–20 let | 12–18 let | 8–12 let |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 stopinj | 8–12 let | 4–6 let | 1–2 leti |
Vrednosti življenjske dobe so ocene na podlagi terenskih podatkov in laboratorijskih testiranj. Dejanska življenjska doba se bo razlikovala glede na kislinsko kemijo, mehansko obremenitev in delovne prakse.
Parametri specifikacije za žveplovo kislino
Inženirji opreme, ki določajo PTFE izmenjevalnik toplote za žveplovo kislino, morajo potrditi naslednje parametre pri dobavitelju.
Koncentracija kisline.Navedite največjo koncentracijo in pričakovano območje.
Oksidativni onesnaževalci.Določite koncentracijo dušikove kisline, kromove kisline, vodikovega peroksida ali drugih oksidantov.
Delovna temperatura.Določite najvišjo delovno temperaturo in pričakovan temperaturni profil.
Toplotna obremenitev in površina.Določite toplotno obremenitev in potrebno površino.
Toplotni tok.Določite največji dovoljeni toplotni tok glede na mejno temperaturo stene.
Debelina stene cevi.Določite debelino stene cevi glede na toplotni tok in dovoljeno temperaturo stene.
Material cevi.Določite material cevi glede na temperaturo stene in stopnjo razgradnje.
Zahtevana življenjska doba.Določite pričakovano življenjsko dobo in urnik zamenjave.
Nadzor temperature.Določite temperaturne senzorje in način nadzora za spremljanje temperature stene.
Usklajevanje temperature stene z zahtevami glede življenjske dobe
Najvišja dovoljena temperatura stene za cevi toplotnega izmenjevalnika PTFE pri delu z žveplovo kislino je odvisna od koncentracije kisline, oksidacijskih onesnaževalcev in zahtevane življenjske dobe. Pod pragom 180–200 stopinj je stopnja razgradnje počasna, življenjsko dobo cevi pa določajo mehanski dejavniki. Nad pragom se stopnja razgradnje eksponentno poveča, življenjska doba cevi pa se hitro zmanjšuje z naraščajočo temperaturo.
Temperaturo stene je treba izbrati glede na zahtevano življenjsko dobo in skupne stroške lastništva. Nižja temperatura stene zahteva večjo površino ali material cevi z večjo prevodnostjo, kar poveča stroške kapitala. Toda nižja temperatura stene podaljša življenjsko dobo cevi in zmanjša stroške vzdrževanja.
Za servisne objekte za žveplovo kislino, ki ocenjujejo možnosti toplotnega izmenjevalnika PTFE, je treba temperaturo stene določiti v dokumentaciji javnega naročila in preveriti ob zagonu. Privzeta konfiguracija, ki jo zagotovi proizvajalec, je lahko optimizirana za kompaktnost in ne za življenjsko dobo, posledična temperatura stene pa lahko preseže prag poslabšanja.
Inženirji opreme in strokovnjaki za nabavo, ki ocenjujejo specifikacije toplotnega izmenjevalnika PTFE za žveplovo kislino ali druge jedke storitve, lahko zahtevajo pregled načrta, ki zajema koncentracijo kisline, oksidativne onesnaževalce, delovno temperaturo, toplotni tok, debelino stene cevi in material cevi, da potrdijo, da enota ustreza dejanskim pogojem delovanja in zahtevam glede življenjske dobe objekta.
