Koncentrirano nagrizajuće okruženje
Natrijev hidroksid iznad 50% koncentracije pri povišenoj temperaturi jedna je od najagresivnijih industrijskih kemikalija. Otapa staklo, napada većinu metala putem kaustične korozije ili ravnomjernog otapanja i razgrađuje mnoge polimere alkalnom hidrolizom. Kombinacija visokog pH (14+), povišene temperature i snažnog nukleofilnog hidroksidnog iona čini odabir materijala izuzetno ograničenim.
Aluminijeva keramika (aluminijev oksid, Al₂O₃) jedan je od rijetkih materijala s korisnom otpornošću na vrući koncentrirani kaustik. Njegova ionska-kovalentna veza i gusta mikrostruktura pružaju kemijsku stabilnost u alkalnim okruženjima gdje metali i stakla ne funkcioniraju. Izmjenjivači topline od aluminijevog oksida služe u specijaliziranim aplikacijama za obradu kaustikom.
PTFE je univerzalno otporan na natrijev hidroksid u svim koncentracijama i temperaturama do 260 stupnjeva. Usporedba s aluminijevim oksidom je između keramike koja je otporna na kaustiku kroz termodinamičku stabilnost oksida i polimera koji je inherentno otporan na alkalni napad.
Mehanizam otapanja glinice
Aluminijev oksid nije potpuno inertan na natrijev hidroksid. Pri visokim koncentracijama i povišenim temperaturama dolazi do spore kemijske reakcije:
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H2O → 2NaAl(OH)₄
Produkt natrijevog aluminata je topiv i otapa se u kaustičnoj otopini. Površina aluminijevog oksida postupno se urezuje. Brzina otapanja jako ovisi o temperaturi i koncentraciji kaustične tvari.
Na 50% NaOH i 100 stupnjeva, stopa otapanja glinice visoke-čistoće (99,7%) je približno 0,02-0,05 mm/godišnje. Ova je stopa dovoljno niska za industrijske usluge, ali nije nula. Tijekom 10-godišnjeg vijeka trajanja gubi se 0,2-0,5 mm površine. Cijevi izmjenjivača topline od aluminijevog oksida moraju imati dodatak za koroziju u debljini stijenke.
Otapanje je rijetko savršeno ravnomjerno. Aluminijeva keramika je polikristalna, a granice zrna jetkaju se nešto brže od unutrašnjosti zrna. S vremenom se hrapavost površine povećava. Hrapava površina osigurava mjesta nukleacije za kaustično taloženje soli, što može dovesti do lokaliziranog napada pod-naslaga.
Tablica 1: Usporedba otpornosti na koncentriranu kaustiku (50% NaOH)
| Parametar otpora | Aluminij keramika (99,7% Al₂O₃) | PTFE |
|---|---|---|
| Mehanizam korozije | Kemijsko otapanje (Al₂O₃ → NaAl(OH)₄) | Nijedan |
| Stopa otapanja na 100 stupnjeva (mm/godina) | 0.02-0.05 | 0 |
| Stopa otapanja na 150 stupnjeva (mm/godina) | 0.10-0.30 | 0 |
| Ograničenje temperature u 50% NaOH (stupnjevi) | ~150 (gore ubrzano otapanje) | 260 |
| Ohrapavljavanje površine s vremenom | Da (jetkanje granica zrna) | Ne |
| Osjetljivost na toplinski šok | Umjereno (lomljivost keramike) | Nijedan |
| Toplinska vodljivost (W/m·K) | 25-35 | 0.25 |
| Način mehaničkog kvara | Krhki prijelom | Duktilno puzanje |
| Složenost izrade | Visoka (specijalizirana obrada keramike) | Umjereno |
Ranjivost na toplinski udar
Aluminij keramika je, kao i svaka keramika, krta. Njegova otpornost na toplinski udar ograničena je kombinacijom umjerenog koeficijenta toplinskog širenja (8 × 10⁻⁶/ stupanj) i visokog modula elastičnosti (350 GPa). Brze promjene temperature stvaraju toplinska naprezanja koja mogu slomiti keramiku.
U obradi kaustikom dolazi do temperaturnih ekskurzija tijekom pokretanja, gašenja i poremećaja procesa. Hladna kaustika uvedena u vrući izmjenjivač aluminijevog oksida, ili vruća kaustika u hladni izmjenjivač, stvara toplinske gradijente koji mogu polomiti cijevi. Vjerojatnost loma ovisi o veličini i brzini promjene temperature, te o prisutnosti površinskih nedostataka uzrokovanih proizvodnjom ili radom.
PTFE je otporan na toplinski šok. Njegov nizak modul elastičnosti omogućuje mu da se prilagodi brzim promjenama temperature kroz elastičnu deformaciju. Ne postoji mehanizam loma pri normalnim brzinama promjene temperature procesa.
Razina prijenosa topline i{0}}otiska
Toplinska vodljivost glinice od 25-35 W/m·K približno je 100-140 puta veća od PTFE-a od 0,25 W/m·K. Izmjenjivač topline od aluminijevog oksida dramatično je kompaktniji za isti toplinski učinak. U prostorno ograničenim instalacijama to je značajna prednost.
PTFE zahtijeva 3-4 puta veću površinu, što rezultira većim fizičkim otiskom. Izbor između glinice i PTFE-a često ovisi o tome može li prostor za ugradnju primiti veći PTFE izmjenjivač. Tamo gdje ima prostora, apsolutna otpornost PTFE-a na kaustično otapanje i lom od toplinskog šoka pruža rješenje nižeg rizika.
Sažetak
PTFE izmjenjivači topline otporni su na natrijev hidroksid pri svim koncentracijama i temperaturama do 260 stupnjeva. Keramika od aluminijevog oksida dobro je otporna na kaustiku, ali je podvrgnuta sporom otapanju što smanjuje debljinu stjenke i s vremenom čini površine hrapavima. Aluminijev oksid je također osjetljiv na lomove uslijed toplinskog šoka zbog temperaturnih ekskurzija, rizik koji PTFE u potpunosti eliminira.
Prednost aluminijevog oksida u pogledu toplinske vodljivosti osigurava kompaktniji izmjenjivač, što može biti odlučujuće u-instalacijama s ograničenim prostorom. Tamo gdje to prostor dopušta, PTFE-ova apsolutna otpornost na kemikalije i nedostatak rizika od krhkog loma čine ga izborom s nižim-rizikom za koncentriranu kaustičnu upotrebu.
Inženjerska analiza za izbor materijala za kaustičnu upotrebu dostupna je nakon podnošenja koncentracije NaOH, raspona radne temperature, karakteristika ciklusa temperature, toplinskog opterećenja i dostupnog prostora za ugradnju.
