Okolje z dvojnim-napadom
Postopek kemičnega čiščenja se izmenjuje med 15 % raztopino klorovodikove kisline pri 70 stopinjah in 10 % raztopino natrijevega hidroksida pri 80 stopinjah. Toplotni izmenjevalnik je izpostavljen skrajnim vrednostim pH na obeh koncih lestvice, med cikli pa se izpira vroča voda. Kislina napada kovine in materiale,-občutljive na alkalije. Kavstik napada steklo, keramiko-na osnovi kremena in amfoterne kovine. Le malo materialov preživi obe okolji.
Emajlirano jeklo-imenovano tudi steklo-jeklo-se že dolgo uporablja v korozivnih kemičnih storitvah. Steklena obloga, borosilikatna emajlirana z jekleno podlago pri visoki temperaturi, je dobro odporna na kisline. Široko se uporablja v reaktorskih posodah, hranilnikih in toplotnih izmenjevalnikih v kemični in farmacevtski industriji.
PTFE je odporen na kisline in alkalije v celotnem pH spektru. O izbiri med emajliranim jeklom in PTFE za izmenično kislo-alkalno delovanje odloča jedka stran cikla-kjer je emajlirano jeklo bistveno ranljivo.
Mehanizem korozije stekla v alkalijah
Steklo je silicijev dioksid z različnimi modifikatorji kovinskega oksida. V alkalnih raztopinah hidroksidni ioni napadajo silicijeve-kisikove vezi, ki tvorijo stekleno mrežo. Reakcija je:
SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O
Natrijev silikat je topen in se raztopi v alkalni raztopini. Steklena površina se postopoma jedka. Hitrost je odvisna od temperature, kavstične koncentracije in specifične sestave stekla.
Borosilikatno steklo-ki se uporablja za emajlirano jeklo-vsebuje borov oksid, ki izboljša kemično vzdržljivost. Toda v 10 % NaOH pri 80 stopinjah celo borosilikatno steklo korodira pri približno 0,01-0,05 mm/leto. Steklena obloga debeline 0,8-1,2 mm v teh pogojih v 10-letni življenjski dobi izgubi 10-60 % svoje debeline.
Korozija je redko popolnoma enakomerna. Mikroskopske napake, mehurčki ali tanke lise v stekleni oblogi hitreje korodirajo. Ko steklo predremo, je osnovno jeklo izpostavljeno izmenično kislemu -alkalnemu okolju. Jeklo pri obeh hitro korodira. Podloga se lokalno pokvari, zato je treba opremo ponovno zastekliti ali zamenjati.
Tabela 1: Primerjava učinkovitosti kislega-alkalnega kolesarjenja
| Parameter zmogljivosti | Emajlirano (stekleno-obloženo) jeklo | PTFE |
|---|---|---|
| Odpornost na kisline (HCl, H₂SO₄) | Odlično | Odlično |
| Alkalna odpornost (NaOH, KOH) | Slabo (raztapljanje stekla) | Odlično |
| Stopnja korozije v 10 % NaOH pri 80 stopinjah (mm/leto) | 0.01-0.05 | 0 |
| Debelina obloge/prevleke (mm) | 0.8-1.2 | 1,0-1,5 (stena cevi) |
| Ocenjena življenjska doba obloge pri izmenični uporabi pH | 3-8 let | 15+ let |
| Metoda popravila | Tovarniško reglass; tednov izpada | Zamašite na terenu ali zamenjajte del cevi |
| Odpornost na toplotni udar | Zmerno (ΔT max ~100 stopinj) | Excellent (>200 stopinj ΔT) |
| Odpornost na mehanske udarce | Slabo (krhko; ostružki ob udarcu) | Dobro (elastično okrevanje) |
| Način okvare | Preboj obloge → korozija jekla | Postopno redčenje zaradi plazenja |
| Zaznavnost bližajoče se okvare | Težko (poškodba obloge je pogosto nevidna) | Enostavno (ultrazvočno merjenje debeline) |
Faktor termičnega šoka
Prehod iz vroče kisline v vročo alkalno raztopino z izpiranjem z vodo povzroči pogoje termičnega šoka. Toplotni izmenjevalnik iz emajliranega jekla je izpostavljen hitri spremembi temperature, ki obremeni vez stekla-in-jekla. Steklo in jeklo imata različne koeficiente toplotnega raztezanja-steklo pri približno 3–6 × 10⁻⁶/stopino, jeklo pri 12–15 × 10⁻⁶/stopino. Diferencialna ekspanzija ustvari strižno napetost na vmesniku.
V stotinah toplotnih ciklov kumulativna obremenitev povzroči mikro-razpoke na vmesniku stekla-jekla. Te razpoke so s strani postopka nevidne. Z nadaljnjim kroženjem rastejo, dokler se steklo ne odlomi od jekla. Izpostavljeno jeklo nato hitro korodira.
PTFE nima vmesnika za razslojevanje. Material je zaradi svoje debeline homogen. Toplotno raztezanje se prilagodi elastični deformaciji celotne komponente. Diferencialni stres se ne razvije.
Kontrast vzdrževanja in popravil
Ko jekleni izmenjevalnik toplote s stekleno{0}} oblogo odpove, je treba celotno enoto odstraniti in poslati v specializiran obrat za ponovno steklo. Postopek traja tedne. Proizvodnja je prekinjena. Na voljo mora biti rezervna enota, sicer se proizvodna zmogljivost izgubi.
Ko toplotni izmenjevalnik PTFE pušča-običajno po dolgih letih delovanja-, lahko prizadeto cev zamašite na terenu. Izmenjevalec še naprej deluje z nekoliko zmanjšano zmogljivostjo. Trajno popravilo ali zamenjava cevi je predvidena ob naslednji načrtovani vzdrževalni zaustavitvi.
Možnost-popravljivosti PTFE na terenu je pomembna operativna prednost v procesih, kjer je kontinuiteta proizvodnje ključnega pomena.
Povzetek
PTFE toplotni izmenjevalniki prekašajo emajlirano jeklo pri izmenični kislinski-alkalni uporabi, ker je PTFE odporen na jedko raztapljanje, ki postopoma tanjša steklene obloge. Stopnja korozije stekla v emajliranem jeklu v vročih alkalijah v kombinaciji s poškodbami zaradi toplotnega šoka na vmesniku steklo-jekla omejuje življenjsko dobo na 3–8 let. PTFE zagotavlja 15+-letno uporabo brez korozije ali delaminacije vmesnika.
Možnost-popravljivosti PTFE na terenu dodatno zmanjša stroške izpadov v primerjavi s tovarni-ponovnim steklom, potrebnim za popravila emajliranega jekla. Za procese, ki krožijo med kislinsko in alkalno kemijo, je PTFE manj{3}}tvegana in daljša-življenjska izbira.
Inženirska analiza za izbiro servisnega materiala z izmeničnim pH je na voljo po predložitvi podatkov o kislinskih in jedkih koncentracijah, delovnih temperaturah, frekvenci ciklov in trenutni življenjski dobi opreme.
