Хімія, яка атакує титан
Титан протистоїть гіпохлориту натрію завдяки утворенню пасивної оксидної плівки, яка є стабільною в нейтральних і лужних розчинах. Плівка є причиною того, що титан добре працює при відбілюванні за помірної температури та концентрації. Плівка руйнується, коли температура піднімається вище 70 градусів, коли концентрація підвищується вище 15%, або коли рН падає нижче 9.
Швидкість корозії титану в гіпохлориті при 60 градусах і 12% гіпохлориту зазвичай становить менше 0,05 мм на рік. При 80 градусах і 15% гіпохлориту швидкість збільшується до 0,3-0,8 мм на рік. При 90 градусах і 15% гіпохлориту швидкість може перевищувати 1,5 мм на рік.
Корозія зазвичай починається на кінцях труб, де швидкість потоку низька, а температура висока, а також на з’єднаннях труб-–-трубної решетки, де геометрія щілин концентрує корозійні речовини. Корозія проявляється у вигляді піттингу, який проникає в стінку труби та викликає витік.
Хімія, яка атакує PTFE
ПТФЕ стійкий до гіпохлориту натрію при всіх концентраціях і температурах в межах робочого діапазону. Гіпохлорит або каустична сода, які стабілізують відбілювач, не руйнують вуглець-фторні зв’язки. Матеріал не піддається корозії, а термін служби визначається не хімічним впливом, а механічними факторами.
Єдиним механізмом деградації PTFE під час використання гіпохлориту є дифузія гіпохлориту та каустичної речовини в аморфні області полімеру. Дифузія повільна, а вплив на механічні властивості помірний. Термін служби теплообмінника з ПТФЕ в умовах гіпохлориту зазвичай становить 12–18 років.
Розрив теплопровідності
Теплопровідність титану становить приблизно 22 Вт/м·K у порівнянні з 0,25 Вт/м·K для PTFE. Співвідношення становить приблизно 88:1.
Для теплообмінника, який забезпечує потужність 40 кВт у 12% гіпохлориті при 60 градусах, титановий блок потребує приблизно 3 м² площі поверхні, виходячи із загального коефіцієнта теплопередачі 800 Вт/м²·К і логарифмічної середньої різниці температур 17 градусів. Блок PTFE для такого ж режиму роботи потребує приблизно 12 м² площі поверхні, виходячи із загального коефіцієнта 200 Вт/м·K і тієї самої різниці температур.
Блок PTFE в 4 рази більший, ніж блок титану. Більший розмір збільшує капітальні витрати, площу та об’єм рідини. Менший тепловий потік знижує температуру стінки труби, що є корисним для процесу, але більша площа поверхні також забезпечує більше поверхні для відкладень і вимагає більше часу для очищення.
Проблема розкладання при підвищеній температурі
Гіпохлорит натрію розкладається зі швидкістю, яка зростає з температурою. При 60 градусах швидкість розкладання становить приблизно 2% на добу. При температурі 70 градусів швидкість становить приблизно 5% на день. При температурі 80 градусів швидкість становить приблизно 10% на день. При розкладанні утворюється газоподібний хлор і соляна кислота, які є корозійними для обох матеріалів.
Швидкість розкладання обмежує практичну робочу температуру як для титану, так і для PTFE. При температурах вище 70 градусів швидкість розкладання досить висока, тому концентрацію гіпохлориту потрібно постійно поповнювати, а газоподібний хлор потрібно випускати. Вибір матеріалу повинен враховувати газоподібний хлор і продукти розкладання.
Титан особливо сприйнятливий до соляної кислоти, яка утворюється при розкладанні. Кислота знижує pH і прискорює корозію титану. PTFE стійкий до соляної кислоти та газоподібного хлору, тому розкладання не впливає на термін служби PTFE.
Порівняння двох матеріалів у службі відбілювання гіпохлоритом
У наведеній нижче таблиці наведені характеристики продуктивності та вартості теплообмінників з PTFE та титану в умовах гіпохлоритного відбілювання при 60 градусах з 12% гіпохлориту натрію.
| Характеристика | Титановий теплообмінник | PTFE теплообмінник | Перевага |
|---|---|---|---|
| Теплопровідність | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Титан |
| Загальний коефіцієнт теплопередачі | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Титан |
| Необхідна площа для 40 кВт | 3 m² | 12 m² | Титан |
| Хімічна стійкість до 12% гіпохлориту при 60 градусах | Чудово | Чудово | Рівні |
| Хімічна стійкість до 15% гіпохлориту при 80 градусах | Бідний | Чудово | PTFE |
| Хімічна стійкість до газоподібного хлору | Помірний | Чудово | PTFE |
| Максимальна робоча температура | 70 градусів (практично) | 260 градусів | PTFE |
| Механічна міцність | Високий | Помірний | Титан |
| Стійкість до термічного удару | Помірний | Високий | PTFE |
| Ремонтопридатність | Обмежений | добре | PTFE |
| Термін служби в умовах експлуатації гіпохлориту | 5–8 років | 12–18 років | PTFE |
| Капітальні витрати на потужність 40 кВт | $32,000 | $34,000 | Титан |
| Вартість монтажу | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Річна вартість обслуговування | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Загальна вартість за-роки | $76,000 | $55,500 | PTFE |
Значення загальної вартості за п’ять- років передбачають вартість виробництва 600 доларів США за годину та включають капітальні витрати, вартість встановлення та вартість обслуговування протягом п’яти років.
Коли титан є кращим вибором
Титан є кращим вибором у кількох конкретних сферах застосування.
Низько{0}}температурне обслуговування.При температурах нижче 50 градусів титан без проблем протистоїть гіпохлориту, а вища теплопровідність зменшує необхідну площу поверхні та капітальні витрати.
Служба низької-концентрації.При концентраціях нижче 10% титан стійкий до гіпохлориту при температурах до 60 градусів, а вища теплопровідність зменшує необхідну площу поверхні.
Інсталяції-з обмеженим простором.Коли доступний простір дуже обмежений, менший титановий блок може бути єдиним можливим варіантом. Блок PTFE потребує в 4 рази більшої площі поверхні, що може не поміститися в доступний простір.
Служба високого{0}}тиску.Титан має вищу механічну міцність, ніж PTFE, і може витримувати більш високий тиск. Для використання гіпохлориту при тиску вище 10 бар титан може бути єдиним життєздатним варіантом.
Коли PTFE є кращим вибором
PTFE є кращим вибором у кількох конкретних сферах застосування.
Обслуговування-високої температури.При температурах вище 60 градусів PTFE протистоїть продуктам розкладання краще, ніж титан, і термін служби довший.
Служба високої-концентрації.У концентраціях понад 12% PTFE протистоїть гіпохлориту та каустику краще, ніж титан.
Вплив газоподібного хлору.Якщо при розкладанні утворюється газоподібний хлор, PTFE протистоїть газу краще, ніж титан.
Сервіс термоциклінгу.PTFE має більш високу стійкість до термічного удару, ніж титан, що робить його придатним для роботи з частими змінами температури.
Вимога тривалого терміну служби.Якщо очікується, що термін служби теплообмінника становить 10 років або більше, PTFE є кращим вибором, оскільки він стійкий до хімічного впливу протягом більш тривалого періоду.
Конструктивні особливості, які продовжують термін служби
Кілька конструктивних особливостей подовжують термін служби як PTFE, так і титанових теплообмінників у відбілювачі гіпохлоритом.
Нижча робоча температура.Зниження робочої температури з 70 градусів до 50 градусів зменшує швидкість розкладання та хімічний вплив на матеріал теплообмінника.
Нижча концентрація.Зменшення концентрації гіпохлориту з 15% до 10% зменшує хімічну дію та швидкість розкладання.
контроль pH.Підтримання рН вище 10 зменшує корозію титану та розкладання гіпохлориту.
Контроль швидкості потоку.Підтримання помірної швидкості потоку зменшує товщину прикордонного шару та концентрацію продуктів розкладання на поверхні труби.
Забезпечення-прибирання на місці.З'єднання для подачі та повернення миючого розчину дозволяють чистити теплообмінник без розбирання, що зменшує час простою та втрати виробництва.
Специфікаційні параметри для служби відбілювання гіпохлоритом
Інженери з обладнання, які оцінюють PTFE і титанові теплообмінники для відбілювання гіпохлоритом, повинні підтвердити наступні параметри з постачальником.
Концентрація гіпохлориту.Вкажіть максимальну концентрацію та очікуваний діапазон.
Робоча температура.Вкажіть максимальну робочу температуру та очікуваний температурний профіль.
pH.Вкажіть діапазон pH і метод контролю.
Робочий тиск.Вкажіть максимальний робочий тиск.
Теплове навантаження і площа поверхні.Для кожного варіанту матеріалу вкажіть теплове навантаження та необхідну площу поверхні.
Швидкість розкладання.Вкажіть очікувану швидкість розкладання та швидкість утворення газоподібного хлору.
Обмеження простору.Укажіть доступний простір і максимально допустиму площу.
Вимога до терміну служби.Вкажіть очікуваний термін служби та графік заміни.
Відповідність вибору матеріалу умовам експлуатації гіпохлориту
Вибір між теплообмінниками з PTFE та титану для відбілювання гіпохлоритом залежить від температури, концентрації, рН та вимог до терміну служби. Титан має вищу теплопровідність і потребує меншої площі поверхні, але він сприйнятливий до корозії при високій температурі та високій концентрації. PTFE має нижчу теплопровідність і вимагає більшої площі поверхні, але він стійкий до гіпохлориту за будь-яких концентрацій і температур.
Рішення про вибір має ґрунтуватися на-аналізі конкретного об’єкта, який включає капітальні витрати, витрати на технічне обслуговування та ризик виробничих втрат. Проста модель електронної таблиці з цими компонентами витрат надає інформацію, необхідну для прийняття рішення.
Для обслуговуючих установ з відбілювання гіпохлориту, які оцінюють варіанти теплообмінника, вибір матеріалу має ґрунтуватися на загальній вартості володіння протягом очікуваного терміну служби, а не лише на капітальних витратах чи теплових характеристиках. Титановий блок із меншою капітальною вартістю може мати вищу вартість терміну служби, якщо він потребує частої заміни.
Інженери з обладнання та спеціалісти з закупівель, які оцінюють технічні характеристики теплообмінника з ПТФЕ для гіпохлоритного відбілювача або інших окислювачів, можуть вимагати перевірки конструкції, що охоплює концентрацію гіпохлориту, робочу температуру, рН, робочий тиск і вимоги до терміну служби, щоб підтвердити, що вибір матеріалу відповідає фактичним умовам експлуатації та структурі витрат на об’єкті.
