Kemija koja napada titan
Titan je otporan na natrijev hipoklorit stvaranjem pasivnog oksidnog filma koji je stabilan u neutralnim i alkalnim otopinama. Film je razlog zašto titan dobro funkcionira u izbjeljivaču pri umjerenoj temperaturi i koncentraciji. Film se razgrađuje kada temperatura poraste iznad 70 stupnjeva, kada koncentracija poraste iznad 15%, ili kada pH padne ispod 9.
Brzina korozije titana u hipokloritu pri 60 stupnjeva i 12% hipoklorita obično je manja od 0,05 mm godišnje. Na 80 stupnjeva i 15% hipoklorita, stopa se povećava na 0,3-0,8 mm godišnje. Na 90 stupnjeva i 15% hipoklorita, stopa može premašiti 1,5 mm godišnje.
Korozija obično počinje na krajevima cijevi gdje je brzina protoka mala, a temperatura visoka, te na spojevima cijevi-na-cijevne ploče gdje geometrija pukotina koncentrira korozivne vrste. Korozija se manifestira kao rupičasta rupa koja prodire kroz stijenku cijevi i uzrokuje curenje.
Kemija koja napada PTFE
PTFE je otporan na natrijev hipoklorit pri svim koncentracijama i temperaturama unutar radnog raspona. Ugljik-fluorne veze nisu napadnute hipokloritom ili kaustičnom sodom koja stabilizira izbjeljivač. Materijal ne korodira, a vijek trajanja određen je mehaničkim čimbenicima, a ne kemijskim djelovanjem.
Jedini mehanizam razgradnje PTFE-a u hipokloritu je difuzija hipoklorita i kaustika u amorfna područja polimera. Difuzija je spora, a učinak na mehanička svojstva je skroman. Životni vijek PTFE izmjenjivača topline u hipokloritu obično je 12-18 godina.
Razmak toplinske vodljivosti
Toplinska vodljivost titana je približno 22 W/m·K, u usporedbi s 0,25 W/m·K za PTFE. Omjer je otprilike 88:1.
Za izmjenjivač topline koji isporučuje 40 kW u 12% hipokloritu na 60 stupnjeva, jedinica od titana zahtijeva približno 3 m² površine, na temelju ukupnog koeficijenta prijenosa topline od 800 W/m²·K i logaritamske srednje temperaturne razlike od 17 stupnjeva. PTFE jedinica za isti rad zahtijeva približno 12 m² površine, na temelju ukupnog koeficijenta od 200 W/m·K i iste temperaturne razlike.
PTFE jedinica je 4 puta veća od titan jedinice. Veća veličina povećava kapitalne troškove, prostor i volumen tekućine. Niži toplinski tok smanjuje temperaturu stijenke cijevi, što je korisno za proces, ali veća površina također daje više površine za naslage i zahtijeva više vremena za čišćenje.
Problem razgradnje na povišenoj temperaturi
Natrijev hipoklorit se raspada brzinom koja raste s temperaturom. Na 60 stupnjeva, stopa razgradnje je otprilike 2% dnevno. Na 70 stupnjeva, stopa je otprilike 5% dnevno. Na 80 stupnjeva, stopa je otprilike 10% dnevno. Raspad stvara plinoviti klor i klorovodičnu kiselinu, koji su korozivni za oba materijala.
Brzina razgradnje ograničava praktičnu radnu temperaturu i za titan i za PTFE. Na temperaturama iznad 70 stupnjeva, stopa razgradnje je dovoljno visoka da se koncentracija hipoklorita mora kontinuirano obnavljati, a plinoviti klor mora biti odzračen. Odabir materijala mora uzeti u obzir plinoviti klor i proizvode razgradnje.
Titan je posebno osjetljiv na solnu kiselinu koja nastaje raspadom. Kiselina snižava pH i ubrzava koroziju titana. PTFE je otporan na solnu kiselinu i plinoviti klor, tako da raspadanje ne utječe na radni vijek PTFE-a.
Usporedba dva materijala u usluzi izbjeljivanja hipokloritom
Sljedeća tablica sažima performanse i karakteristike cijene PTFE i titanskih izmjenjivača topline u službi izbjeljivanja hipokloritom na 60 stupnjeva s 12% natrijevog hipoklorita.
| Karakteristično | Izmjenjivač topline od titana | PTFE izmjenjivač topline | Prednost |
|---|---|---|---|
| Toplinska vodljivost | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Titanij |
| Ukupni koeficijent prolaza topline | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Titanij |
| Potrebna površina za 40 kW | 3 m² | 12 m² | Titanij |
| Kemijska otpornost na 12% hipoklorita na 60 stupnjeva | Izvrsno | Izvrsno | Jednak |
| Kemijska otpornost na 15% hipoklorita na 80 stupnjeva | Jadno | Izvrsno | PTFE |
| Kemijska otpornost na plinoviti klor | Umjereno | Izvrsno | PTFE |
| Maksimalna radna temperatura | 70 stupnjeva (praktično) | 260 stupnjeva | PTFE |
| Mehanička čvrstoća | visoko | Umjereno | Titanij |
| Otpornost na toplinski udar | Umjereno | visoko | PTFE |
| Mogućnost popravka | ograničeno | Dobro | PTFE |
| Životni vijek u službi hipoklorita | 5–8 godina | 12–18 godina | PTFE |
| Kapitalni trošak za rad od 40 kW | $32,000 | $34,000 | Titanij |
| Trošak instalacije | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Godišnji trošak održavanja | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Pet{0}}godišnji ukupni trošak | $76,000 | $55,500 | PTFE |
Pet{0}}vrijednosti ukupne cijene pretpostavljaju vrijednost proizvodnje od 600 USD po satu i uključuju kapitalne troškove, troškove instalacije i troškove održavanja tijekom pet godina.
Kada je titan bolji izbor
Titan je bolji izbor u nekoliko specifičnih primjena.
Usluga niske-temperature.Na temperaturama nižim od 50 stupnjeva, titan bez problema podnosi hipoklorit, a veća toplinska vodljivost smanjuje potrebnu površinu i kapitalne troškove.
Usluga niske-koncentracije.U koncentracijama ispod 10%, titan je otporan na hipoklorit na temperaturama do 60 stupnjeva, a veća toplinska vodljivost smanjuje potrebnu površinu.
Prostor{0}}ograničene instalacije.Kada je raspoloživi prostor jako ograničen, manja jedinica od titana može biti jedina izvediva opcija. PTFE jedinica bi zahtijevala 4 puta veću površinu, što možda neće stati u raspoloživi prostor.
Usluga pod visokim{0}}tlakom.Titan ima veću mehaničku čvrstoću od PTFE-a i može izdržati veće pritiske. Za rad s hipokloritom pri tlakovima iznad 10 bara, titan bi mogao biti jedina održiva opcija.
Kada je PTFE bolji izbor
PTFE je bolji izbor u nekoliko specifičnih primjena.
Usluga na visokim-temperaturama.Na temperaturama iznad 60 stupnjeva, PTFE se odupire produktima razgradnje bolje od titana, a vijek trajanja je duži.
Usluga visoke-koncentracije.U koncentracijama iznad 12%, PTFE je otporniji na hipoklorit i kaustik bolje od titana.
Izlaganje plinovitom kloru.Ako raspadanjem nastaje plin klor, PTFE je otporniji na plin bolje od titana.
Usluga termocikliranja.PTFE ima veću otpornost na toplinski udar od titana, što ga čini pogodnim za rad s čestim promjenama temperature.
Zahtjev za dug radni vijek.Kada se očekuje da će izmjenjivač topline imati vijek trajanja od 10 ili više godina, PTFE je bolji izbor jer je otporan na kemijski napad tijekom duljeg razdoblja.
Značajke dizajna koje produljuju vijek trajanja
Nekoliko značajki dizajna produljuje životni vijek PTFE i titanskih izmjenjivača topline u službi izbjeljivanja hipokloritom.
Niža radna temperatura.Smanjenje radne temperature sa 70 stupnjeva na 50 stupnjeva smanjuje brzinu razgradnje i kemijski napad na materijal izmjenjivača topline.
Niža koncentracija.Smanjenje koncentracije hipoklorita s 15% na 10% smanjuje kemijski napad i brzinu razgradnje.
kontrola pH.Održavanje pH iznad 10 smanjuje koroziju titana i razgradnju hipoklorita.
Kontrola brzine protoka.Održavanje umjerene brzine protoka smanjuje debljinu graničnog sloja i koncentraciju produkata razgradnje na površini cijevi.
Na-odredbe za čišćenje mjesta.Priključci za dovod i povrat otopine za čišćenje omogućuju čišćenje izmjenjivača topline bez rastavljanja, čime se smanjuju zastoji i gubici u proizvodnji.
Parametri specifikacije za uslugu izbjeljivanja hipokloritom
Inženjeri opreme koji procjenjuju PTFE i titanijeve izmjenjivače topline za uslugu izbjeljivanja hipokloritom trebaju potvrditi sljedeće parametre kod dobavljača.
Koncentracija hipoklorita.Navedite najveću koncentraciju i očekivani raspon.
Radna temperatura.Navedite maksimalnu radnu temperaturu i očekivani profil temperature.
pH.Navedite raspon pH i metodu kontrole.
Radni tlak.Navedite maksimalni radni tlak.
Toplinsko opterećenje i površina.Navedite toplinsko opterećenje i potrebnu površinu za svaku opciju materijala.
Brzina razgradnje.Navedite očekivanu brzinu razgradnje i stopu stvaranja plinovitog klora.
Prostorna ograničenja.Navedite raspoloživi prostor i najveći dopušteni otisak.
Zahtjev za vijek trajanja.Navedite očekivani vijek trajanja i raspored zamjene.
Usklađivanje odabira materijala s uvjetima upotrebe hipoklorita
Odabir između PTFE i titanskih izmjenjivača topline u službi izbjeljivanja hipokloritom ovisi o temperaturi, koncentraciji, pH vrijednosti i zahtjevima za radni vijek. Titan ima veću toplinsku vodljivost i zahtijeva manju površinu, ali je osjetljiv na koroziju pri povišenoj temperaturi i visokoj koncentraciji. PTFE ima nižu toplinsku vodljivost i zahtijeva veću površinu, ali je otporan na hipoklorit pri svim koncentracijama i temperaturama.
Odluka o odabiru trebala bi se temeljiti na-specifičnoj analizi objekta koja uključuje kapitalne troškove, troškove održavanja i izloženost gubitku proizvodnje. Jednostavan model proračunske tablice s ovim komponentama troškova pruža informacije potrebne za donošenje odluke.
Za servisne objekte za izbjeljivanje hipoklorita koji procjenjuju opcije izmjenjivača topline, odabir materijala trebao bi se temeljiti na ukupnom trošku vlasništva tijekom očekivanog životnog vijeka, a ne samo na kapitalnom trošku ili toplinskoj učinku. Jedinica od titana s nižim kapitalnim troškom može imati veći životni trošak ako zahtijeva čestu zamjenu.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za hipokloritno izbjeljivanje ili drugu uslugu oksidacije mogu zatražiti reviziju dizajna koja pokriva koncentraciju hipoklorita, radnu temperaturu, pH, radni tlak i zahtjeve za radni vijek kako bi potvrdili da je odabir materijala usklađen sa stvarnim uvjetima rada i strukturom troškova postrojenja.
