Temperatura stijenke koja određuje mehanizam razgradnje
Linija za anodizaciju sumpornom kiselinom koja radi na 20 stupnjeva s 15% sumporne kiseline zahtijeva izmjenjivač topline za hlađenje. Temperatura stijenke cijevi je blizu procesne temperature jer je toplinski tok nizak, a rashladna voda je samo nekoliko stupnjeva ispod procesne. PTFE cijev radi na 20-25 stupnjeva, što je daleko ispod temperature na kojoj se aktivira bilo koji mehanizam razgradnje. Vijek trajanja cijevi određen je mehaničkim faktorima, a vijek trajanja je 15-20 godina.
Postrojenje za kemijsku obradu koje koncentrira sumpornu kiselinu na 150 stupnjeva zahtijeva izmjenjivač topline za grijanje. Temperatura stijenke cijevi određena je toplinskim protokom i toplinskim otporom stijenke cijevi. Za toplinski tok od 2,0 W/cm² i stijenku od 0,8 mm, temperatura stijenke je približno 215 stupnjeva. Na ovoj temperaturi, sumporna kiselina napada PTFE mjerljivom brzinom, a vijek trajanja cijevi je određen kemijskom degradacijom, a ne mehaničkim čimbenicima.
Prag temperature stijenke između ova dva režima je približno 180-200 stupnjeva za rad sa sumpornom kiselinom. Ispod tog praga, stopa razgradnje je spora, a vijek trajanja cijevi određen je mehaničkim faktorima. Iznad tog praga, stopa razgradnje se brzo povećava, a vijek trajanja cijevi smanjuje se s povećanjem temperature.
Mehanizam kemijske razgradnje iznad praga
Razgradnja PTFE u vrućoj sumpornoj kiselini događa se oksidacijom amorfnih područja polimera. Sumporna kiselina, osobito u visokoj koncentraciji, jako je oksidacijsko sredstvo na povišenoj temperaturi. Kiselina napada krajeve lanaca i defektna mjesta u amorfnim regijama, kidajući polimerne lance i stvarajući manje fragmente koji se otapaju ili odnose procesna tekućina.
Stopa razgradnje eksponencijalno raste s temperaturom. Povećanje temperature od 10 stupnjeva približno udvostručuje stopu razgradnje. Razlika između 180 stupnjeva i 220 stupnjeva faktor je 16 u stopi razgradnje.
Degradacija nije ravnomjerna preko stijenke cijevi. Napad počinje na površini i širi se prema unutra. Površina postaje hrapava i porozna, a mehanička čvrstoća opada. Stjenka cijevi se s vremenom stanji i na kraju cijev pukne.
Učinak koncentracije kiseline
Brzina razgradnje ovisi o koncentraciji sumporne kiseline. Razrijeđena sumporna kiselina (ispod 50%) ima manji oksidacijski potencijal od koncentrirane kiseline (iznad 90%). Stopa razgradnje u 50% sumpornoj kiselini na 200 stupnjeva je otprilike upola manja od stope u 98% sumpornoj kiselini na istoj temperaturi.
Učinak koncentracije je posebno važan u uslugama koncentracije sumporne kiseline, gdje se koncentracija kiseline povećava kako voda isparava. Cijevi izmjenjivača topline na koncentriranom kraju sustava imaju veću koncentraciju kiseline i veću stopu razgradnje nego cijevi na razrijeđenom kraju.
Učinak oksidirajućih kontaminanata
Stopa razgradnje se ubrzava oksidirajućim kontaminantima u sumpornoj kiselini. Dušična kiselina, kromna kiselina i vodikov peroksid uobičajeni su kontaminanti koji povećavaju oksidacijski potencijal kiseline. Čak i nekoliko postotaka dušične kiseline može povećati stopu razgradnje za faktor dva do tri.
Onečišćenja također utječu na maksimalnu dopuštenu temperaturu zidova. U čistoj sumpornoj kiselini, prag je približno 200 stupnjeva. U sumpornoj kiselini koja sadrži 5% dušične kiseline, prag je približno 170 stupnjeva. U sumpornoj kiselini koja sadrži 10% dušične kiseline, prag je približno 150 stupnjeva.
Kvantificiranje dopuštene temperature zidova
Sljedeća tablica sažima maksimalnu dopuštenu temperaturu stijenke za različite radne uvjete sumporne kiseline, na temelju potrebnog radnog vijeka od 10 godina.
| Koncentracija kiseline | Oksidirajući zagađivači | Najveća dopuštena temperatura zidova | Stopa degradacije na granici | Preporučena debljina stijenke cijevi |
|---|---|---|---|---|
| 15% H2SO4 | Nijedan | 220 stupnjeva | 0,05 mm/godišnje | 0,8 mm |
| 30% H2SO4 | Nijedan | 210 stupnjeva | 0,06 mm/god | 0,8 mm |
| 50% H2SO4 | Nijedan | 200 stupnjeva | 0,07 mm/god | 0,8 mm |
| 70% H2SO4 | Nijedan | 190 stupnjeva | 0,08 mm/god | 0,8 mm |
| 98% H2SO4 | Nijedan | 180 stupnjeva | 0,10 mm/god | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 5% HNO3 | 170 stupnjeva | 0,10 mm/god | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 10% HNO3 | 150 stupnjeva | 0,12 mm/god | 1,0 mm |
| 98% H2SO4 | 5% HNO3 | 150 stupnjeva | 0,15 mm/god | 1,2 mm |
Maksimalne dopuštene vrijednosti temperature stijenke pretpostavljaju potrebni vijek trajanja od 10 godina i minimalnu dopuštenu debljinu stijenke od 0,3 mm. Stope razgradnje temelje se na terenskim podacima iz servisa sumporne kiseline i laboratorijskih ispitivanja.
Mehanička interakcija naprezanja
Na najveću dopuštenu temperaturu stijenke utječe mehaničko naprezanje cijevi. Kombinacija toplinskog i tlačnog naprezanja smanjuje dopuštenu temperaturu jer se stopa degradacije povećava s naprezanjem.
Mehanički stres ima dva učinka. Prvo, stres povećava brzinu difuzije kiseline u PTFE otvaranjem amorfnih područja polimera. Drugo, naprezanje smanjuje mehaničku čvrstoću cijevi, što smanjuje dopušteni gubitak stijenke prije puknuća.
Učinak naprezanja posebno je važan na spojevima cijevi-na-cijevne ploče, gdje je koncentracija naprezanja najveća. Najveća dopuštena temperatura stijenke na spoju je obično 10-20 stupnjeva niža nego u tijelu cijevi.
Značajke dizajna koje smanjuju temperaturu zidova
Nekoliko značajki dizajna smanjuje temperaturu stijenke cijevi za određeno toplinsko opterećenje.
Veća površina.Veća površina smanjuje toplinski tok, što smanjuje temperaturu stijenke. Povećanje površine od 50% smanjuje toplinski tok i temperaturu stijenke za približno 33%.
Tanji zid cijevi.Tanja stijenka smanjuje toplinski otpor i temperaturu stijenke za isti toplinski tok. Zid od 0,5 mm ima upola manji toplinski otpor od zida od 1,0 mm.
Materijal cijevi veće vodljivosti.Punjena PTFE smjesa s toplinskom vodljivošću od 0,5 W/m·K ima upola manju toplinsku otpornost stijenke nego izvorni PTFE.
Veća brzina protoka procesa.Veća brzina protoka povećava koeficijent filma -na strani procesa i smanjuje temperaturu stijenke.
Veća brzina protoka-na servisnoj strani.Veća brzina pare ili vruće vode povećava koeficijent filma-na servisnoj strani i smanjuje temperaturu stijenke.
Zaglavlje raspodjele protoka.Kolektor za raspodjelu protoka osigurava ravnomjeran protok kroz snop cijevi, što sprječava lokalizirane vruće točke.
Usporedba materijala cijevi za rad sa sumpornom kiselinom-na visokim temperaturama
Sljedeća tablica sažima maksimalnu dopuštenu temperaturu stijenke i životni vijek za različite materijale PTFE cijevi u 98% sumpornoj kiselini pri toplinskom protoku od 1,5 W/cm².
| Materijal cijevi | Toplinska vodljivost | Temperatura zida 1,5 W/cm² | Životni vijek na 180 stupnjeva | Životni vijek na 200 stupnjeva | Radni vijek na 220 stupnjeva |
|---|---|---|---|---|---|
| Djevičanski PTFE | 0.25 W/m·K | 210 stupnjeva | 10–15 godina | 5–8 godina | 2–3 godine |
| PTFE visoke-kristalnosti | 0.26 W/m·K | 205 stupnjeva | 12–18 godina | 6–10 godina | 3–4 godine |
| PTFE-ispunjen grafitom | 0.50 W/m·K | 165 stupnjeva | 15–20 godina | 10–15 godina | 5–8 godina |
| PTFE-punjen ugljikom | 0.65 W/m·K | 150 stupnjeva | 15–20 godina | 12–18 godina | 8–12 godina |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 stupnjeva | 8–12 godina | 4–6 godina | 1–2 godine |
Vrijednosti životnog vijeka su procjene temeljene na terenskim podacima i laboratorijskim ispitivanjima. Stvarni životni vijek ovisit će o kemiji kiseline, mehaničkom naprezanju i praksi rada.
Parametri specifikacije za uslugu sumporne kiseline
Inženjeri opreme koji određuju PTFE izmjenjivač topline za sumpornu kiselinu trebaju potvrditi sljedeće parametre kod dobavljača.
Koncentracija kiseline.Navedite najveću koncentraciju i očekivani raspon.
Oksidirajući kontaminanti.Navedite koncentraciju dušične kiseline, kromne kiseline, vodikovog peroksida ili drugih oksidirajućih tvari.
Radna temperatura.Navedite maksimalnu radnu temperaturu i očekivani profil temperature.
Toplinsko opterećenje i površina.Navedite toplinsko opterećenje i potrebnu površinu.
Toplinski tok.Navedite najveći dopušteni toplinski tok na temelju ograničenja temperature zida.
Debljina stijenke cijevi.Odredite debljinu stijenke cijevi na temelju toplinskog toka i dopuštene temperature stijenke.
Materijal cijevi.Odredite materijal cijevi na temelju temperature stijenke i brzine razgradnje.
Zahtjev za vijek trajanja.Navedite očekivani vijek trajanja i raspored zamjene.
Praćenje temperature.Odredite temperaturne senzore i način nadzora za praćenje zidne temperature.
Usklađivanje temperature zida sa zahtjevima radnog vijeka
Najveća dopuštena temperatura stijenke za PTFE cijevi izmjenjivača topline u radu sa sumpornom kiselinom ovisi o koncentraciji kiseline, oksidirajućim kontaminantima i potrebnom vijeku trajanja. Ispod praga od 180-200 stupnjeva, stopa razgradnje je spora, a vijek trajanja cijevi određen je mehaničkim faktorima. Iznad praga, stopa razgradnje raste eksponencijalno, a vijek trajanja cijevi se brzo smanjuje s povećanjem temperature.
Temperaturu zida treba odabrati na temelju uvjeta radnog vijeka i ukupnih troškova vlasništva. Niža temperatura stijenke zahtijeva veću površinu ili materijal cijevi veće vodljivosti, što povećava kapitalne troškove. Ali niža temperatura stijenke produljuje vijek trajanja cijevi i smanjuje troškove održavanja.
Za servisne objekte za sumpornu kiselinu koji procjenjuju opcije PTFE izmjenjivača topline, temperaturu stijenke treba navesti u dokumentima o nabavi i potvrditi pri puštanju u rad. Zadana konfiguracija koju daje proizvođač može biti optimizirana za kompaktnost, a ne za radni vijek, a rezultirajuća temperatura zida može premašiti prag degradacije.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za sumpornu kiselinu ili druge korozivne usluge mogu zatražiti reviziju dizajna koja pokriva koncentraciju kiseline, oksidirajuća onečišćenja, radnu temperaturu, toplinski tok, debljinu stijenke cijevi i materijal cijevi kako bi potvrdili da jedinica odgovara stvarnim uvjetima rada i zahtjevima radnog vijeka postrojenja.
Temperatura stijenke koja određuje mehanizam razgradnje
Linija za anodizaciju sumpornom kiselinom koja radi na 20 stupnjeva s 15% sumporne kiseline zahtijeva izmjenjivač topline za hlađenje. Temperatura stijenke cijevi je blizu procesne temperature jer je toplinski tok nizak, a rashladna voda je samo nekoliko stupnjeva ispod procesne. PTFE cijev radi na 20-25 stupnjeva, što je daleko ispod temperature na kojoj se aktivira bilo koji mehanizam razgradnje. Vijek trajanja cijevi određen je mehaničkim faktorima, a vijek trajanja je 15-20 godina.
Postrojenje za kemijsku obradu koje koncentrira sumpornu kiselinu na 150 stupnjeva zahtijeva izmjenjivač topline za grijanje. Temperatura stijenke cijevi određena je toplinskim protokom i toplinskim otporom stijenke cijevi. Za toplinski tok od 2,0 W/cm² i stijenku od 0,8 mm, temperatura stijenke je približno 215 stupnjeva. Na ovoj temperaturi, sumporna kiselina napada PTFE mjerljivom brzinom, a vijek trajanja cijevi je određen kemijskom degradacijom, a ne mehaničkim čimbenicima.
Prag temperature stijenke između ova dva režima je približno 180-200 stupnjeva za rad sa sumpornom kiselinom. Ispod tog praga, stopa razgradnje je spora, a vijek trajanja cijevi određen je mehaničkim faktorima. Iznad tog praga, stopa razgradnje se brzo povećava, a vijek trajanja cijevi smanjuje se s povećanjem temperature.
Mehanizam kemijske razgradnje iznad praga
Razgradnja PTFE u vrućoj sumpornoj kiselini događa se oksidacijom amorfnih područja polimera. Sumporna kiselina, osobito u visokoj koncentraciji, jako je oksidacijsko sredstvo na povišenoj temperaturi. Kiselina napada krajeve lanaca i defektna mjesta u amorfnim regijama, kidajući polimerne lance i stvarajući manje fragmente koji se otapaju ili odnose procesna tekućina.
Stopa razgradnje eksponencijalno raste s temperaturom. Povećanje temperature od 10 stupnjeva približno udvostručuje stopu razgradnje. Razlika između 180 stupnjeva i 220 stupnjeva faktor je 16 u stopi razgradnje.
Degradacija nije ravnomjerna preko stijenke cijevi. Napad počinje na površini i širi se prema unutra. Površina postaje hrapava i porozna, a mehanička čvrstoća opada. Stjenka cijevi se s vremenom stanji i na kraju cijev pukne.
Učinak koncentracije kiseline
Brzina razgradnje ovisi o koncentraciji sumporne kiseline. Razrijeđena sumporna kiselina (ispod 50%) ima manji oksidacijski potencijal od koncentrirane kiseline (iznad 90%). Stopa razgradnje u 50% sumpornoj kiselini na 200 stupnjeva je otprilike upola manja od stope u 98% sumpornoj kiselini na istoj temperaturi.
Učinak koncentracije je posebno važan u uslugama koncentracije sumporne kiseline, gdje se koncentracija kiseline povećava kako voda isparava. Cijevi izmjenjivača topline na koncentriranom kraju sustava imaju veću koncentraciju kiseline i veću stopu razgradnje nego cijevi na razrijeđenom kraju.
Učinak oksidirajućih kontaminanata
Stopa razgradnje se ubrzava oksidirajućim kontaminantima u sumpornoj kiselini. Dušična kiselina, kromna kiselina i vodikov peroksid uobičajeni su kontaminanti koji povećavaju oksidacijski potencijal kiseline. Čak i nekoliko postotaka dušične kiseline može povećati stopu razgradnje za faktor dva do tri.
Onečišćenja također utječu na maksimalnu dopuštenu temperaturu zidova. U čistoj sumpornoj kiselini, prag je približno 200 stupnjeva. U sumpornoj kiselini koja sadrži 5% dušične kiseline, prag je približno 170 stupnjeva. U sumpornoj kiselini koja sadrži 10% dušične kiseline, prag je približno 150 stupnjeva.
Kvantificiranje dopuštene temperature zidova
Sljedeća tablica sažima maksimalnu dopuštenu temperaturu stijenke za različite radne uvjete sumporne kiseline, na temelju potrebnog radnog vijeka od 10 godina.
| Koncentracija kiseline | Oksidirajući zagađivači | Najveća dopuštena temperatura zidova | Stopa degradacije na granici | Preporučena debljina stijenke cijevi |
|---|---|---|---|---|
| 15% H2SO4 | Nijedan | 220 stupnjeva | 0,05 mm/godišnje | 0,8 mm |
| 30% H2SO4 | Nijedan | 210 stupnjeva | 0,06 mm/god | 0,8 mm |
| 50% H2SO4 | Nijedan | 200 stupnjeva | 0,07 mm/god | 0,8 mm |
| 70% H2SO4 | Nijedan | 190 stupnjeva | 0,08 mm/god | 0,8 mm |
| 98% H2SO4 | Nijedan | 180 stupnjeva | 0,10 mm/god | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 5% HNO3 | 170 stupnjeva | 0,10 mm/god | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 10% HNO3 | 150 stupnjeva | 0,12 mm/god | 1,0 mm |
| 98% H2SO4 | 5% HNO3 | 150 stupnjeva | 0,15 mm/god | 1,2 mm |
Maksimalne dopuštene vrijednosti temperature stijenke pretpostavljaju potrebni vijek trajanja od 10 godina i minimalnu dopuštenu debljinu stijenke od 0,3 mm. Stope razgradnje temelje se na terenskim podacima iz servisa sumporne kiseline i laboratorijskih ispitivanja.
Mehanička interakcija naprezanja
Na najveću dopuštenu temperaturu stijenke utječe mehaničko naprezanje cijevi. Kombinacija toplinskog i tlačnog naprezanja smanjuje dopuštenu temperaturu jer se stopa degradacije povećava s naprezanjem.
Mehanički stres ima dva učinka. Prvo, stres povećava brzinu difuzije kiseline u PTFE otvaranjem amorfnih područja polimera. Drugo, naprezanje smanjuje mehaničku čvrstoću cijevi, što smanjuje dopušteni gubitak stijenke prije puknuća.
Učinak naprezanja posebno je važan na spojevima cijevi-na-cijevne ploče, gdje je koncentracija naprezanja najveća. Najveća dopuštena temperatura stijenke na spoju je obično 10-20 stupnjeva niža nego u tijelu cijevi.
Značajke dizajna koje smanjuju temperaturu zidova
Nekoliko značajki dizajna smanjuje temperaturu stijenke cijevi za određeno toplinsko opterećenje.
Veća površina.Veća površina smanjuje toplinski tok, što smanjuje temperaturu stijenke. Povećanje površine od 50% smanjuje toplinski tok i temperaturu stijenke za približno 33%.
Tanji zid cijevi.Tanja stijenka smanjuje toplinski otpor i temperaturu stijenke za isti toplinski tok. Zid od 0,5 mm ima upola manji toplinski otpor od zida od 1,0 mm.
Materijal cijevi veće vodljivosti.Punjena PTFE smjesa s toplinskom vodljivošću od 0,5 W/m·K ima upola manju toplinsku otpornost stijenke nego izvorni PTFE.
Veća brzina protoka procesa.Veća brzina protoka povećava koeficijent filma -na strani procesa i smanjuje temperaturu stijenke.
Veća brzina protoka-na servisnoj strani.Veća brzina pare ili vruće vode povećava koeficijent filma-na servisnoj strani i smanjuje temperaturu stijenke.
Zaglavlje raspodjele protoka.Kolektor za raspodjelu protoka osigurava ravnomjeran protok kroz snop cijevi, što sprječava lokalizirane vruće točke.
Usporedba materijala cijevi za rad sa sumpornom kiselinom-na visokim temperaturama
Sljedeća tablica sažima maksimalnu dopuštenu temperaturu stijenke i životni vijek za različite materijale PTFE cijevi u 98% sumpornoj kiselini pri toplinskom protoku od 1,5 W/cm².
| Materijal cijevi | Toplinska vodljivost | Temperatura zida 1,5 W/cm² | Životni vijek na 180 stupnjeva | Životni vijek na 200 stupnjeva | Radni vijek na 220 stupnjeva |
|---|---|---|---|---|---|
| Djevičanski PTFE | 0.25 W/m·K | 210 stupnjeva | 10–15 godina | 5–8 godina | 2–3 godine |
| PTFE visoke-kristalnosti | 0.26 W/m·K | 205 stupnjeva | 12–18 godina | 6–10 godina | 3–4 godine |
| PTFE-ispunjen grafitom | 0.50 W/m·K | 165 stupnjeva | 15–20 godina | 10–15 godina | 5–8 godina |
| PTFE-punjen ugljikom | 0.65 W/m·K | 150 stupnjeva | 15–20 godina | 12–18 godina | 8–12 godina |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 stupnjeva | 8–12 godina | 4–6 godina | 1–2 godine |
Vrijednosti životnog vijeka su procjene temeljene na terenskim podacima i laboratorijskim ispitivanjima. Stvarni životni vijek ovisit će o kemiji kiseline, mehaničkom naprezanju i praksi rada.
Parametri specifikacije za uslugu sumporne kiseline
Inženjeri opreme koji određuju PTFE izmjenjivač topline za sumpornu kiselinu trebaju potvrditi sljedeće parametre kod dobavljača.
Koncentracija kiseline.Navedite najveću koncentraciju i očekivani raspon.
Oksidirajući kontaminanti.Navedite koncentraciju dušične kiseline, kromne kiseline, vodikovog peroksida ili drugih oksidirajućih tvari.
Radna temperatura.Navedite maksimalnu radnu temperaturu i očekivani profil temperature.
Toplinsko opterećenje i površina.Navedite toplinsko opterećenje i potrebnu površinu.
Toplinski tok.Navedite najveći dopušteni toplinski tok na temelju ograničenja temperature zida.
Debljina stijenke cijevi.Odredite debljinu stijenke cijevi na temelju toplinskog toka i dopuštene temperature stijenke.
Materijal cijevi.Odredite materijal cijevi na temelju temperature stijenke i brzine razgradnje.
Zahtjev za vijek trajanja.Navedite očekivani vijek trajanja i raspored zamjene.
Praćenje temperature.Odredite temperaturne senzore i način nadzora za praćenje zidne temperature.
Usklađivanje temperature zida sa zahtjevima radnog vijeka
Najveća dopuštena temperatura stijenke za PTFE cijevi izmjenjivača topline u radu sa sumpornom kiselinom ovisi o koncentraciji kiseline, oksidirajućim kontaminantima i potrebnom vijeku trajanja. Ispod praga od 180-200 stupnjeva, stopa razgradnje je spora, a vijek trajanja cijevi određen je mehaničkim faktorima. Iznad praga, stopa razgradnje raste eksponencijalno, a vijek trajanja cijevi se brzo smanjuje s povećanjem temperature.
Temperaturu zida treba odabrati na temelju uvjeta radnog vijeka i ukupnih troškova vlasništva. Niža temperatura stijenke zahtijeva veću površinu ili materijal cijevi veće vodljivosti, što povećava kapitalne troškove. Ali niža temperatura stijenke produljuje vijek trajanja cijevi i smanjuje troškove održavanja.
Za servisne objekte za sumpornu kiselinu koji procjenjuju opcije PTFE izmjenjivača topline, temperaturu stijenke treba navesti u dokumentima o nabavi i potvrditi pri puštanju u rad. Zadana konfiguracija koju daje proizvođač može biti optimizirana za kompaktnost, a ne za radni vijek, a rezultirajuća temperatura zida može premašiti prag degradacije.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za sumpornu kiselinu ili druge korozivne usluge mogu zatražiti reviziju dizajna koja pokriva koncentraciju kiseline, oksidirajuća onečišćenja, radnu temperaturu, toplinski tok, debljinu stijenke cijevi i materijal cijevi kako bi potvrdili da jedinica odgovara stvarnim uvjetima rada i zahtjevima radnog vijeka postrojenja.
Temperatura stijenke koja određuje mehanizam razgradnje
Linija za anodizaciju sumpornom kiselinom koja radi na 20 stupnjeva s 15% sumporne kiseline zahtijeva izmjenjivač topline za hlađenje. Temperatura stijenke cijevi je blizu procesne temperature jer je toplinski tok nizak, a rashladna voda je samo nekoliko stupnjeva ispod procesne. PTFE cijev radi na 20-25 stupnjeva, što je daleko ispod temperature na kojoj se aktivira bilo koji mehanizam razgradnje. Vijek trajanja cijevi određen je mehaničkim faktorima, a vijek trajanja je 15-20 godina.
Postrojenje za kemijsku obradu koje koncentrira sumpornu kiselinu na 150 stupnjeva zahtijeva izmjenjivač topline za grijanje. Temperatura stijenke cijevi određena je toplinskim protokom i toplinskim otporom stijenke cijevi. Za toplinski tok od 2,0 W/cm² i stijenku od 0,8 mm, temperatura stijenke je približno 215 stupnjeva. Na ovoj temperaturi, sumporna kiselina napada PTFE mjerljivom brzinom, a vijek trajanja cijevi je određen kemijskom degradacijom, a ne mehaničkim čimbenicima.
Prag temperature stijenke između ova dva režima je približno 180-200 stupnjeva za rad sa sumpornom kiselinom. Ispod tog praga, stopa razgradnje je spora, a vijek trajanja cijevi određen je mehaničkim faktorima. Iznad tog praga, stopa razgradnje se brzo povećava, a vijek trajanja cijevi smanjuje se s povećanjem temperature.
Mehanizam kemijske razgradnje iznad praga
Razgradnja PTFE u vrućoj sumpornoj kiselini događa se oksidacijom amorfnih područja polimera. Sumporna kiselina, osobito u visokoj koncentraciji, jako je oksidacijsko sredstvo na povišenoj temperaturi. Kiselina napada krajeve lanaca i defektna mjesta u amorfnim regijama, kidajući polimerne lance i stvarajući manje fragmente koji se otapaju ili odnose procesna tekućina.
Stopa razgradnje eksponencijalno raste s temperaturom. Povećanje temperature od 10 stupnjeva približno udvostručuje stopu razgradnje. Razlika između 180 stupnjeva i 220 stupnjeva faktor je 16 u stopi razgradnje.
Degradacija nije ravnomjerna preko stijenke cijevi. Napad počinje na površini i širi se prema unutra. Površina postaje hrapava i porozna, a mehanička čvrstoća opada. Stjenka cijevi se s vremenom stanji i na kraju cijev pukne.
Učinak koncentracije kiseline
Brzina razgradnje ovisi o koncentraciji sumporne kiseline. Razrijeđena sumporna kiselina (ispod 50%) ima manji oksidacijski potencijal od koncentrirane kiseline (iznad 90%). Stopa razgradnje u 50% sumpornoj kiselini na 200 stupnjeva je otprilike upola manja od stope u 98% sumpornoj kiselini na istoj temperaturi.
Učinak koncentracije je posebno važan u uslugama koncentracije sumporne kiseline, gdje se koncentracija kiseline povećava kako voda isparava. Cijevi izmjenjivača topline na koncentriranom kraju sustava imaju veću koncentraciju kiseline i veću stopu razgradnje nego cijevi na razrijeđenom kraju.
Učinak oksidirajućih kontaminanata
Stopa razgradnje se ubrzava oksidirajućim kontaminantima u sumpornoj kiselini. Dušična kiselina, kromna kiselina i vodikov peroksid uobičajeni su kontaminanti koji povećavaju oksidacijski potencijal kiseline. Čak i nekoliko postotaka dušične kiseline može povećati stopu razgradnje za faktor dva do tri.
Onečišćenja također utječu na maksimalnu dopuštenu temperaturu zidova. U čistoj sumpornoj kiselini, prag je približno 200 stupnjeva. U sumpornoj kiselini koja sadrži 5% dušične kiseline, prag je približno 170 stupnjeva. U sumpornoj kiselini koja sadrži 10% dušične kiseline, prag je približno 150 stupnjeva.
Kvantificiranje dopuštene temperature zidova
Sljedeća tablica sažima maksimalnu dopuštenu temperaturu stijenke za različite radne uvjete sumporne kiseline, na temelju potrebnog radnog vijeka od 10 godina.
| Koncentracija kiseline | Oksidirajući zagađivači | Najveća dopuštena temperatura zidova | Stopa degradacije na granici | Preporučena debljina stijenke cijevi |
|---|---|---|---|---|
| 15% H2SO4 | Nijedan | 220 stupnjeva | 0,05 mm/godišnje | 0,8 mm |
| 30% H2SO4 | Nijedan | 210 stupnjeva | 0,06 mm/god | 0,8 mm |
| 50% H2SO4 | Nijedan | 200 stupnjeva | 0,07 mm/god | 0,8 mm |
| 70% H2SO4 | Nijedan | 190 stupnjeva | 0,08 mm/god | 0,8 mm |
| 98% H2SO4 | Nijedan | 180 stupnjeva | 0,10 mm/god | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 5% HNO3 | 170 stupnjeva | 0,10 mm/god | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 10% HNO3 | 150 stupnjeva | 0,12 mm/god | 1,0 mm |
| 98% H2SO4 | 5% HNO3 | 150 stupnjeva | 0,15 mm/god | 1,2 mm |
Maksimalne dopuštene vrijednosti temperature stijenke pretpostavljaju potrebni vijek trajanja od 10 godina i minimalnu dopuštenu debljinu stijenke od 0,3 mm. Stope razgradnje temelje se na terenskim podacima iz servisa sumporne kiseline i laboratorijskih ispitivanja.
Mehanička interakcija naprezanja
Na najveću dopuštenu temperaturu stijenke utječe mehaničko naprezanje cijevi. Kombinacija toplinskog i tlačnog naprezanja smanjuje dopuštenu temperaturu jer se stopa degradacije povećava s naprezanjem.
Mehanički stres ima dva učinka. Prvo, stres povećava brzinu difuzije kiseline u PTFE otvaranjem amorfnih područja polimera. Drugo, naprezanje smanjuje mehaničku čvrstoću cijevi, što smanjuje dopušteni gubitak stijenke prije puknuća.
Učinak naprezanja posebno je važan na spojevima cijevi-na-cijevne ploče, gdje je koncentracija naprezanja najveća. Najveća dopuštena temperatura stijenke na spoju je obično 10-20 stupnjeva niža nego u tijelu cijevi.
Značajke dizajna koje smanjuju temperaturu zidova
Nekoliko značajki dizajna smanjuje temperaturu stijenke cijevi za određeno toplinsko opterećenje.
Veća površina.Veća površina smanjuje toplinski tok, što smanjuje temperaturu stijenke. Povećanje površine od 50% smanjuje toplinski tok i temperaturu stijenke za približno 33%.
Tanji zid cijevi.Tanja stijenka smanjuje toplinski otpor i temperaturu stijenke za isti toplinski tok. Zid od 0,5 mm ima upola manji toplinski otpor od zida od 1,0 mm.
Materijal cijevi veće vodljivosti.Punjena PTFE smjesa s toplinskom vodljivošću od 0,5 W/m·K ima upola manju toplinsku otpornost stijenke nego izvorni PTFE.
Veća brzina protoka procesa.Veća brzina protoka povećava koeficijent filma -na strani procesa i smanjuje temperaturu stijenke.
Veća brzina protoka-na servisnoj strani.Veća brzina pare ili vruće vode povećava koeficijent filma-na servisnoj strani i smanjuje temperaturu stijenke.
Zaglavlje raspodjele protoka.Kolektor za raspodjelu protoka osigurava ravnomjeran protok kroz snop cijevi, što sprječava lokalizirane vruće točke.
Usporedba materijala cijevi za rad sa sumpornom kiselinom-na visokim temperaturama
Sljedeća tablica sažima maksimalnu dopuštenu temperaturu stijenke i životni vijek za različite materijale PTFE cijevi u 98% sumpornoj kiselini pri toplinskom protoku od 1,5 W/cm².
| Materijal cijevi | Toplinska vodljivost | Temperatura zida 1,5 W/cm² | Životni vijek na 180 stupnjeva | Životni vijek na 200 stupnjeva | Radni vijek na 220 stupnjeva |
|---|---|---|---|---|---|
| Djevičanski PTFE | 0.25 W/m·K | 210 stupnjeva | 10–15 godina | 5–8 godina | 2–3 godine |
| PTFE visoke-kristalnosti | 0.26 W/m·K | 205 stupnjeva | 12–18 godina | 6–10 godina | 3–4 godine |
| PTFE-ispunjen grafitom | 0.50 W/m·K | 165 stupnjeva | 15–20 godina | 10–15 godina | 5–8 godina |
| PTFE-punjen ugljikom | 0.65 W/m·K | 150 stupnjeva | 15–20 godina | 12–18 godina | 8–12 godina |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 stupnjeva | 8–12 godina | 4–6 godina | 1–2 godine |
Vrijednosti životnog vijeka su procjene temeljene na terenskim podacima i laboratorijskim ispitivanjima. Stvarni životni vijek ovisit će o kemiji kiseline, mehaničkom naprezanju i praksi rada.
Parametri specifikacije za uslugu sumporne kiseline
Inženjeri opreme koji određuju PTFE izmjenjivač topline za sumpornu kiselinu trebaju potvrditi sljedeće parametre kod dobavljača.
Koncentracija kiseline.Navedite najveću koncentraciju i očekivani raspon.
Oksidirajući kontaminanti.Navedite koncentraciju dušične kiseline, kromne kiseline, vodikovog peroksida ili drugih oksidirajućih tvari.
Radna temperatura.Navedite maksimalnu radnu temperaturu i očekivani profil temperature.
Toplinsko opterećenje i površina.Navedite toplinsko opterećenje i potrebnu površinu.
Toplinski tok.Navedite najveći dopušteni toplinski tok na temelju ograničenja temperature zida.
Debljina stijenke cijevi.Odredite debljinu stijenke cijevi na temelju toplinskog toka i dopuštene temperature stijenke.
Materijal cijevi.Odredite materijal cijevi na temelju temperature stijenke i brzine razgradnje.
Zahtjev za vijek trajanja.Navedite očekivani vijek trajanja i raspored zamjene.
Praćenje temperature.Odredite temperaturne senzore i način nadzora za praćenje zidne temperature.
Usklađivanje temperature zida sa zahtjevima radnog vijeka
Najveća dopuštena temperatura stijenke za PTFE cijevi izmjenjivača topline u radu sa sumpornom kiselinom ovisi o koncentraciji kiseline, oksidirajućim kontaminantima i potrebnom vijeku trajanja. Ispod praga od 180-200 stupnjeva, stopa razgradnje je spora, a vijek trajanja cijevi određen je mehaničkim faktorima. Iznad praga, stopa razgradnje raste eksponencijalno, a vijek trajanja cijevi se brzo smanjuje s povećanjem temperature.
Temperaturu zida treba odabrati na temelju uvjeta radnog vijeka i ukupnih troškova vlasništva. Niža temperatura stijenke zahtijeva veću površinu ili materijal cijevi veće vodljivosti, što povećava kapitalne troškove. Ali niža temperatura stijenke produljuje vijek trajanja cijevi i smanjuje troškove održavanja.
Za servisne objekte za sumpornu kiselinu koji procjenjuju opcije PTFE izmjenjivača topline, temperaturu stijenke treba navesti u dokumentima o nabavi i potvrditi pri puštanju u rad. Zadana konfiguracija koju daje proizvođač može biti optimizirana za kompaktnost, a ne za radni vijek, a rezultirajuća temperatura zida može premašiti prag degradacije.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za sumpornu kiselinu ili druge korozivne usluge mogu zatražiti reviziju dizajna koja pokriva koncentraciju kiseline, oksidirajuća onečišćenja, radnu temperaturu, toplinski tok, debljinu stijenke cijevi i materijal cijevi kako bi potvrdili da jedinica odgovara stvarnim uvjetima rada i zahtjevima radnog vijeka postrojenja.
