Концентроване їдке середовище
Гідроксид натрію концентрацією вище 50% при підвищеній температурі є одним з найагресивніших промислових хімікатів. Він розчиняє скло, руйнує більшість металів шляхом їдкого корозійного розтріскування або рівномірного розчинення, а також руйнує багато полімерів шляхом лужного гідролізу. Поєднання високого pH (14+), підвищеної температури та потужного нуклеофільного гідроксид-іону робить вибір матеріалу надзвичайно обмеженим.
Глиноземна кераміка (оксид алюмінію, Al₂O₃) є одним із небагатьох матеріалів із корисною стійкістю до гарячої концентрованої їдкої речовини. Його іонний-ковалентний зв’язок і щільна мікроструктура забезпечують хімічну стабільність у лужному середовищі, де метали та скло руйнуються. Теплообмінники з оксиду алюмінію використовуються в спеціалізованих програмах обробки каустичної речовини.
PTFE універсально стійкий до гідроксиду натрію при всіх концентраціях і температурах до 260 градусів. Порівняння з оксидом алюмінію відбувається між керамікою, яка протистоїть їдкій дії завдяки термодинамічній стабільності оксиду, та полімером, який за своєю суттю є стійким до лужного впливу.
Механізм розчинення глинозему
Глинозем не зовсім інертний до гідроксиду натрію. При високих концентраціях і підвищених температурах відбувається повільна хімічна реакція:
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2NaAl(OH)₄
Продукт алюмінату натрію є розчинним і розчиняється в їдкому розчині. Поверхня оксиду алюмінію поступово витравлюється. Швидкість розчинення сильно залежить від температури та концентрації каустичної речовини.
При 50% NaOH і 100 градусах швидкість розчинення високо-чистого (99,7%) глинозему становить приблизно 0,02-0,05 мм/рік. Цей показник досить низький для промислового обслуговування, але він не дорівнює нулю. За 10 років експлуатації втрачається 0,2-0,5 мм поверхні. Глиноземні теплообмінні труби повинні мати допуск на корозію в товщині стінки.
Розчинення рідко буває абсолютно рівномірним. Глиноземна кераміка полікристалічна, і межі зерен травляться трохи швидше, ніж внутрішні зерна. З часом шорсткість поверхні збільшується. Шорстка поверхня забезпечує місця зародження для відкладення їдких солей, що може призвести до локалізованого під-відкладення.
Таблиця 1: Порівняння стійкості до концентрованої їдкої речовини (50% NaOH)
| Параметр опору | Глиноземна кераміка (99,7% Al₂O₃) | PTFE |
|---|---|---|
| Механізм корозії | Хімічне розчинення (Al₂O₃ → NaAl(OH)₄) | Жодного |
| Швидкість розчинення при 100 градусах (мм/рік) | 0.02-0.05 | 0 |
| Швидкість розчинення при 150 градусах (мм/рік) | 0.10-0.30 | 0 |
| Межа температури в 50% NaOH (градус) | ~150 (прискорене розчинення вище) | 260 |
| Шорсткість поверхні з часом | Так (травлення меж зерен) | немає |
| Схильність до термічного шоку | Помірна (крихкість кераміки) | Жодного |
| Теплопровідність (Вт/м·K) | 25-35 | 0.25 |
| Режим механічної несправності | Крихкий злам | Пластична повзучість |
| Складність виготовлення | Високий (спеціалізована обробка кераміки) | Помірний |
Вразливість до теплового удару
Глиноземна кераміка, як і вся кераміка, крихка. Його стійкість до термічного удару обмежена поєднанням помірного коефіцієнта теплового розширення (8 × 10⁻⁶/градус) і високого модуля пружності (350 ГПа). Швидкі зміни температури створюють термічні напруги, які можуть зруйнувати кераміку.
Під час обробки каустиком температурні екскурсії відбуваються під час запуску, зупинки та збоїв у процесі. Холодний каустик, що вводиться в гарячий глиноземний теплообмінник, або гарячий каустик у холодний теплообмінник, створює температурні градієнти, які можуть зруйнувати труби. Імовірність руйнування залежить від величини та швидкості зміни температури, а також від наявності поверхневих дефектів, отриманих при виготовленні або експлуатації.
PTFE стійкий до термічного удару. Його низький модуль пружності дозволяє йому адаптуватися до швидких змін температури через пружну деформацію. За нормальної швидкості зміни температури процесу не існує механізму руйнування.
Теплопередача та компроміс-відбитку
Теплопровідність глинозему, яка становить 25-35 Вт/м·K, приблизно в 100-140 разів вища, ніж 0,25 Вт/м·K для PTFE. Глиноземний теплообмінник є значно компактнішим за тієї ж потужності тепла. У місцях з обмеженим простором це є значною перевагою.
ПТФЕ вимагає в 3-4 рази більшої площі поверхні, що призводить до більшого фізичного сліду. Вибір між оксидом алюмінію та PTFE часто залежить від того, чи може простір для установки вмістити більший PTFE теплообмінник. Там, де є вільний простір, абсолютний імунітет PTFE до каустичної дії та руйнування від термічного удару є рішенням із меншим ризиком.
Резюме
PTFE теплообмінники стійкі до гідроксиду натрію при будь-якій концентрації та температурі до 260 градусів. Глиноземна кераміка добре протистоїть каустику, але зазнає повільного розчинення, що з часом зменшує товщину стінок і робить поверхні шорсткими. Оксид алюмінію також вразливий до руйнування при термічному ударі внаслідок температурних коливань, ризик, який повністю усуває PTFE.
Перевага глинозему в теплопровідності забезпечує більш компактний теплообмінник, що може мати вирішальне значення в умовах-обмеженого простору. Там, де дозволяє простір, абсолютна хімічна стійкість PTFE та відсутність ризику крихкого руйнування роблять його вибором із меншим-ризиком для використання концентрованої їдкої речовини.
Інженерний аналіз для вибору каустичної робочої сировини доступний після надання концентрації NaOH, діапазону робочих температур, характеристик температурного циклу, нагрівання та доступного місця для установки.
