Vzorec okvare keramičnega grelnika
Alkalne cinkatne kopeli delujejo pri pH 13-14 s koncentracijo natrijevega hidroksida 100-150 g/L pri 25-35 stopinjah. Keramični potopni grelniki - običajno aluminijev oksid ali silicijev karbid - so določeni zaradi svoje kemične odpornosti v tem močno alkalnem okolju. Kljub temu se pri keramičnih grelnikih v uporabi s cinkatom v 12-24 mesecih pojavijo površinske hrapavosti, luknjice in morebitna okvara.
Okvara je kemično raztapljanje, ne mehanski zlom. Visoka koncentracija hidroksida napada meje keramičnih zrn. Aluminijev oksid se počasi pretvori v topen natrijev aluminat. Silicijev karbid oksidira na površini, reakcijski produkt silicijevega dioksida pa se raztopi v kavstiku. Hitrost raztapljanja je nizka-merjena v mikronih na leto-vendar je zvezna in ne-enakomerna. Napad meje zrn naredi površino hrapavo, kar nato zagotovi mesta nukleacije za odlaganje cinkatne soli. Odložene soli ustvarjajo pod-odlagami korozijske celice, ki pospešijo lokalni napad.
PTFE toplotni izmenjevalnik nima meja zrn, oksidnega filma, ki bi se raztopil, in reakcijske poti z natrijevim hidroksidom. Ogljikov-fluorova vez je termodinamično stabilna v močnih alkalijah pri vseh koncentracijah in temperaturah do 260 stopinj. Kemična odpornost je absolutna in ni stvar počasnega raztapljanja.
Mehanizem napada na zrnate meje
Kemična odpornost keramičnih materialov izvira iz močnih ionskih-kovalentnih vezi v kristalni mreži. Meje zrn, kjer se posamezni kristali stikajo, so šibke točke. Atomska struktura na mejah zrn je neurejena. Tam se koncentrirajo nečistoče. Vezava je šibkejša kot v kristalni notranjosti. Hidroksidni ioni napadajo prednostno na teh mejah.
Ko se material meje zrn raztopi, postanejo posamezna zrna manj tesno vezana na površino. Ločijo se in ustvarjajo mikroskopske jamice. Jamice razkrijejo mejno območje svežega zrna in tako nadaljujejo napad. Hrapavost površine postopoma narašča. Hrapava površina ujame cinkatne soli, ki med ohlajanjem kristalizirajo, med segrevanjem pa se ponovno nepopolno raztopijo. Solna skorja ustvarja lokalizirane koncentracijske celice, ki pospešijo napad na meje zrn.
PTFE nima zrn in meja zrn. Je neprekinjena amorfna-kristalna polimerna matrika. Ni strukturno šibkih linij, ki bi jim lahko sledil kemični napad. Površina se enakomerno raztopi s hitrostjo nič.
| Parameter degradacije | Aluminijev keramični grelec | Grelec iz silicijevega karbida | PTFE izmenjevalnik toplote |
|---|---|---|---|
| Napadni mehanizem | Raztapljanje meja zrn | Površinska oksidacija + raztapljanje silicijevega dioksida | Noben |
| Stopnja korozije v 150 g/L NaOH pri 35 stopinjah (μm/leto) | 2-5 | 1-3 | 0 |
| Hrapavost površine se spreminja v 12 mesecih | Ra se poveča 5-10× | Ra se poveča 3-7× | Brez sprememb |
| Nagnjenost k oprijemu soli | Visoka (groba, hidrofilna površina) | Zmerno | Zelo nizka (gladka, hidrofobna) |
| Življenjska doba v alkalnem cinkatu | 12-24 mesecev | 18-30 mesecev | 15+ let |
Prednost odpornosti proti obraščanju
Poleg odpornosti na kemikalije ponuja površina PTFE pomembno operativno prednost v cinkatnih kopelih: odpornost na obraščanje s cinkatno soljo. Raztopine alkalnega cinkata so nagnjene k obarjanju cinkovega oksida in cinkovega hidroksida na vročih površinah. Keramični grelec s svojo površino, ki postane hrapava, te usedline hitro kopiči. Izolacijski nanos zmanjša prenos toplote, kar povzroči višji tlak pare, kar pospeši nalaganje v povratni zanki.
Nizka površinska energija PTFE preprečuje močan oprijem oborin cinkata. Kristali, ki tvorijo jedro na površini, so šibko vezani in se pri normalnem kroženju kopeli ponavadi luščijo. Površina ostane dlje čista. Ko je sčasoma potrebno čiščenje, preprosto izpiranje z vodo ali namakanje z blago kislino odstrani ohlapno pritrjene usedline, ne da bi pri tem napadli PTFE substrat.
Zmanjšana pogostost umazanije poveča čas delovanja proizvodnje in odpravi mehansko čiščenje, ki lahko poškoduje površine keramičnih grelnikov. Za linijo za pocinkanje, ki deluje v treh izmenah, se zmanjšanje izpadov zaradi-vzdrževanja, povezanih z grelnikom, pomeni 40–60 dodatnih produktivnih ur na leto.
Povzetek
Alkalne cinkatne kopeli napadajo keramične grelnike z raztapljanjem meja zrn v močnem jedkem okolju. PTFE toplotni izmenjevalniki zagotavljajo popolno odpornost, ker nimajo meja zrn, nimajo oksidnega filma in nimajo poti kemične reakcije z natrijevim hidroksidom. Absolutno kemično odpornost dopolnjuje odpornost proti obraščanju zaradi nizko{2}}energijske PTFE površine, ki preprečuje močan oprijem oborin cinkata in podaljšuje interval med čiščenji.
15+-letna življenjska doba PTFE v tej aplikaciji odpravlja ponavljajoče se cikle zamenjave keramičnih grelnikov in s tem povezane izpade proizvodnje.
Inženirska podpora za specifikacijo PTFE toplotnega izmenjevalnika v alkalnem cinkatu in drugih kopeli za prevleko z visokim-pH je na voljo po predložitvi podatkov o kemiji kopeli, delovni temperaturi, dimenzijah rezervoarja in trenutni življenjski dobi grelnika.
