Змішані кислотні композиції, які визначають межі
Системи регенерації змішаної кислоти обробляють декілька різних комбінацій кислот, і вибір матеріалу залежить від того, яка комбінація присутня.
Азотні-фтористоводневі суміші.Вони використовуються для травлення нержавіючої сталі та травлення титану. Азотна кислота забезпечує окислювальний потенціал, а плавикова кислота забезпечує фторидну активність. Суміш агресивна для більшості металів і багатьох видів кераміки. PTFE стійкий до суміші при всіх концентраціях і температурах у межах свого діапазону. Карбід кремнію стійкий до суміші при температурах до 80 градусів, але фторид атакує карбід кремнію при вищих температурах.
Сірчано-фтористоводневі суміші.Вони використовуються для травлення алюмінію та скла. Сірчана кислота забезпечує силу кислоти, а плавикова кислота забезпечує фторидну активність. PTFE стійкий до суміші за будь-яких концентрацій і температур. Карбід кремнію стійкий до суміші при температурах до 60 градусів, але фторид атакує карбід кремнію при вищих температурах.
Азотно-сірчані суміші.Вони використовуються для травлення та пасивації металу. Суміш сильно окиснює, і окислювальний потенціал зростає з концентрацією азотної кислоти. PTFE стійкий до суміші за будь-яких концентрацій і температур. Карбід кремнію стійкий до суміші при температурах до 100 градусів, але окислювальний потенціал може впливати на фазу меж зерен у карбіді кремнію.
Розрив теплопровідності
Карбід кремнію має теплопровідність приблизно 120 Вт/м·K, у порівнянні з 0,25 Вт/м·K для PTFE. Співвідношення становить приблизно 480:1.
Для теплообмінника, який забезпечує потужність 60 кВт у змішаній системі регенерації кислоти при 70 градусах, карбіду кремнію потрібно приблизно 3 м² площі поверхні, виходячи із загального коефіцієнта теплопередачі 1000 Вт/м²·К і логарифмічної середньої різниці температур 20 градусів. Блок PTFE для такого самого режиму потребує приблизно 15 м² площі поверхні, виходячи із загального коефіцієнта 200 Вт/м·К і такої ж різниці температур.
Блок PTFE в 5 разів більший, ніж блок карбіду кремнію. 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.
Атака фтору на кераміку
Фторид у змішаних системах відновлення кислоти атакує кераміку за допомогою механізму, який відрізняється від атаки на метали. Фторид реагує з діоксидом кремнію або оксидом алюмінію в кераміці, утворюючи розчинні сполуки фториду, які розчиняють кераміку. Швидкість нападу залежить від концентрації фтору, температури та конкретного складу кераміки.
Карбід кремнію має кращу стійкість до фтору, ніж кераміка на основі оксиду-алюмінію, оскільки зерна карбіду кремнію зв’язані нітридом кремнію або матрицею карбіду кремнію, яка є більш стійкою до фтору. Однак фаза границі зерен може піддаватися впливу фтору при високій температурі, і це послаблює кераміку та, зрештою, призводить до руйнування.
ПТФЕ стійкий до фтору за будь-яких концентрацій і температур у межах робочого діапазону. Карбон-фторні зв’язки не зазнають впливу фтору, а структура полімеру не погіршується хімічним середовищем. Це основна причина, по якій PTFE призначений для змішаних систем відновлення кислоти з високими концентраціями фтору.
Порівняння двох матеріалів при регенерації змішаної кислоти
У наведеній нижче таблиці наведені характеристики продуктивності та вартості теплообмінників з PTFE та карбіду кремнію в змішаній системі відновлення кислоти при 70 градусах з 10% азотної кислоти та 3% фтористоводневої кислоти.
| Характеристика | Теплообмінник з карбіду кремнію | PTFE теплообмінник | Перевага |
|---|---|---|---|
| Теплопровідність | 120 W/m·K | 0.25 W/m·K | Карбід кремнію |
| Загальний коефіцієнт теплопередачі | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Карбід кремнію |
| Необхідна площа для 60 кВт | 3 m² | 15 m² | Карбід кремнію |
| Хімічна стійкість до азотної-водневої суміші | Добре при 70 градусах | Чудово | PTFE |
| Хімічна стійкість до фтору | Помірний | Чудово | PTFE |
| Максимальна робоча температура | 80 градусів (з фтором) | 260 градусів | PTFE |
| Механічна міцність | Високий | Помірний | Карбід кремнію |
| Стійкість до термічного удару | Низький | Високий | PTFE |
| Стійкість до механічних впливів | Низький | Високий | PTFE |
| Ремонтопридатність | Обмежений | добре | PTFE |
| Термін служби в змішаній кислотній експлуатації | 4–6 років | 10–15 років | PTFE |
| Капітальні витрати на потужність 60 кВт | $48,000 | $42,000 | PTFE |
| Вартість монтажу | $6,000 | $4,000 | PTFE |
| Річна вартість обслуговування | $5,000 | $2,000 | PTFE |
| Загальна вартість за-роки | $109,000 | $72,000 | 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 кераміка – кращий вибір
Кераміка є кращим вибором у кількох конкретних сферах застосування.
Обслуговування-з низьким вмістом фтору.Коли концентрація фтору нижче 1%, швидкість ураження кераміки фторидом низька, а термін служби подовжується. У цьому випадку більш висока теплопровідність карбіду кремнію зменшує необхідну площу поверхні та капітальні витрати.
Інсталяції-з обмеженим простором.Коли доступний простір дуже обмежений, менший блок карбіду кремнію може бути єдиним можливим варіантом. Блок PTFE потребує 5-кратної площі поверхні, яка може не поміститися в доступний простір.
Експлуатація при високих-температурах без фтору.Коли змішана кислота не містить фтору і температура вище 100 градусів, карбід кремнію зберігає свою механічну міцність і хімічну стійкість, тоді як PTFE розм'якшується і втрачає міцність вище 200 градусів.
Обслуговування-високої чистоти.Карбід кремнію не вимиває органічні сполуки в технологічну рідину, що робить його придатним для -застосувань із високою чистотою, де органічне вилуговування з PTFE викликає занепокоєння.
Абразивний сервіс.Карбід кремнію має вищу твердість і зносостійкість, ніж PTFE, що робить його придатним для роботи з твердими речовинами, які можуть стирати поверхню теплообмінника.
Коли PTFE є кращим вибором
PTFE є кращим вибором у кількох конкретних сферах застосування.
Обслуговування-з високим вмістом фтору.PTFE стійкий до фтору в усіх концентраціях, тоді як карбід кремнію піддається впливу фтору при високій температурі.
Сервіс термоциклінгу.PTFE має вищу стійкість до термічного удару, ніж карбід кремнію, що робить його придатним для роботи з частими змінами температури.
Послуга механічного впливу.ПТФЕ є більш стійким до механічних впливів, ніж карбід кремнію, що робить його придатним для установок, де теплообмінник може піддаватися вібрації або поводженню.
Відремонтоване обслуговування.PTFE теплообмінники можуть бути відремонтовані на місці кваліфікованим фахівцем, що зменшує час простою та втрати виробництва.
Обслуговування великого теплового навантаження.Для великих теплових навантажень менші капітальні витрати на PTFE стають більш значними, а більша площа поверхні є меншим обмеженням.
Конструктивні особливості, які продовжують термін служби
Кілька конструктивних особливостей подовжують термін служби як PTFE, так і керамічних теплообмінників у змішаній системі відновлення кислоти.
Нижча робоча температура.Зниження робочої температури зменшує вплив фтору на кераміку та дифузію кислоти в PTFE.
Нижча концентрація фтору.Зниження концентрації фтору зменшує вплив на кераміку. Слід постійно контролювати концентрацію фтору та підтримувати її нижче порогового значення для конкретного керамічного матеріалу.
Контроль швидкості потоку.Підтримка помірної швидкості потоку зменшує товщину прикордонного шару та концентрацію фториду на поверхні трубки.
Забезпечення-прибирання на місці.З'єднання для подачі та повернення миючого розчину дозволяють чистити теплообмінник без розбирання, що зменшує час простою та втрати виробництва.
Контроль температури.Температурні датчики на вході та виході теплообмінника дозволяють контролювати ефективність теплопередачі, що дозволяє ранньо виявити забруднення або деградацію.
Параметри специфікації для відновлення змішаної кислоти
Інженери з обладнання, які оцінюють PTFE та керамічні теплообмінники для змішаного відновлення кислоти, повинні підтвердити наступні параметри з постачальником.
Змішаний кислотний склад.Вкажіть концентрації азотної кислоти, сірчаної кислоти, плавикової кислоти та будь-яких інших компонентів.
Робоча температура.Вкажіть максимальну робочу температуру та очікуваний температурний профіль.
Концентрація фтору.Вкажіть максимальну концентрацію фтору та метод контролю.
Завислі речовини.Вкажіть концентрацію та розмір частинок будь-яких завислих речовин у кислоті.
Теплове навантаження і площа поверхні.Для кожного варіанту матеріалу вкажіть теплове навантаження та необхідну площу поверхні.
Обмеження простору.Укажіть доступний простір і максимально допустиму площу.
Можливість обслуговування.Вкажіть можливості обслуговування об’єкта, включаючи можливість ремонту теплообмінника на місці.
Вимога до терміну служби.Вкажіть очікуваний термін служби та графік заміни.
Відповідність вибору матеріалу умовам експлуатації в змішаній кислоті
Вибір між PTFE та керамічними теплообмінниками при змішаній регенерації кислоти залежить від концентрації фториду, температури, обмежень простору та вимог до терміну служби. Кераміка має вищу теплопровідність і потребує меншої площі поверхні, але вона чутлива до впливу фтору та теплового удару. PTFE має нижчу теплопровідність і вимагає більшої площі поверхні, але він стійкий до фтору та теплового удару.
Рішення щодо вибору має ґрунтуватися на-аналізі конкретного об’єкта, який включає капітальні витрати, вартість монтажу, вартість обслуговування та ризик виробничих втрат. Проста модель електронної таблиці з цими компонентами витрат надає інформацію, необхідну для прийняття рішення.
Для установок змішаної рекуперації кислоти, які оцінюють варіанти теплообмінника, вибір матеріалу має ґрунтуватися на загальній вартості володіння протягом очікуваного терміну служби, а не лише на теплових характеристиках чи капітальних витратах. Керамічний блок з вищою теплопровідністю може мати вищу вартість терміну служби, якщо концентрація фтору висока і блок потребує частої заміни.
Інженери з обладнання та спеціалісти з закупівель, які оцінюють технічні характеристики теплообмінника з ПТФЕ для рекуперації змішаної кислоти або іншої корозійної служби, можуть запросити перевірку конструкції, що охоплює склад змішаної кислоти, робочу температуру, концентрацію фтору, зважені тверді речовини та обмеження простору, щоб підтвердити, що вибір матеріалу відповідає фактичним умовам експлуатації та структурі витрат на об’єкті.
