Okruženje željeznog sulfata
Otopine željezovog sulfata koriste se u luženju čelika, proizvodnji pigmenta titanijevog dioksida i kao sredstva za jetkanje u završnoj obradi metala. Otopina sadrži feri željezo u koncentracijama od 50-200 g/L kao Fe₂(SO₄)3, sa slobodnom sumpornom kiselinom od 20-100 g/L, radi na 60-90 stupnjeva. Kombinacija snažne oksidacijske moći iona željeza i kiselosti sumporne kiseline stvara agresivno okruženje za mnoge materijale.
Nepropusni grafit-grafit impregniran fenolnom ili furanskom smolom za uklanjanje poroznosti-široko se koristi za izmjenjivače topline u ovoj usluzi. Sam grafit otporan je i na sumpornu kiselinu i na željezni sulfat. Smola za impregnaciju, međutim, ne dijeli ovaj otpor. Tijekom vremena na povišenoj temperaturi, otopina željeznog sulfata oksidira smolu, uzrokujući progresivnu degradaciju.
PTFE nema smole za impregniranje koje bi se razgradilo. Cijeli materijal je kemijski inertan na željezni sulfat i sumpornu kiselinu. Usporedba između nepropusnog grafita i PTFE-a u ovoj je usluzi između kompozitnog materijala čije vezivo polako otpada i homogenog materijala koji ne može kemijski reagirati s procesnom tekućinom.
Mehanizam razgradnje smole
Nepropusni grafit proizvodi se impregniranjem poroznog grafita termoreaktivnom smolom-obično fenolnom ili furanskom-pod vakuumom i pritiskom. Smola ispunjava međusobno povezane pore, čineći materijal nepropusnim za procesne tekućine. Grafit osigurava toplinsku vodljivost i kemijsku otpornost. Smola osigurava nepropusnost.
Željezov sulfat napada smolu oksidacijom. Ion željeza (Fe³⁺) je jak oksidans. On izvlači vodik iz polimera smole, stvarajući slobodne radikale koji reagiraju s otopljenim kisikom da bi formirali karbonilne i karboksilne skupine. Oksidirana smola postaje krta. Razvijaju se mikro-pukotine. Pukotine izlažu svježu površinu smole otopini, nastavljajući napad.
Kako se smola razgrađuje, razvija se nekoliko načina kvara. Veza smole-grafita slabi, a čestice grafita mogu se otpustiti u tok procesa. Gubitak smole s površine stvara površinsku poroznost, povećavajući pravu površinu i ubrzavajući daljnji napad. Na kraju se kroz stijenku cijevi razvija međusobno povezana poroznost, a procesna tekućina curi kroz stijenku izmjenjivača topline.
| Parametar degradacije | Nepropusni grafit (fenolna smola) | Nepropusni grafit (furanska smola) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Struktura veziva/materijala | Fenolna smola u grafitnoj matrici | Furanska smola u grafitnoj matrici | Homogen fluoropolimer |
| Otpornost veziva na oksidaciju | Loše (napadnuto Fe³⁺) | Umjereno (bolje od fenola) | N/A (bez uvezivača) |
| Stopa razgradnje smole na 80 stupnjeva u Fe₂(SO₄)3 | 0,1-0,3 mm/godišnje (površinska recesija) | 0,05-0,15 mm/god | 0 |
| Otpuštanje grafitnih čestica | Da (kako se smola razgrađuje) | Da (snižena stopa) | Nijedan |
| Stanje površine nakon 2 godine | Porozno, hrapavo | Umjereno hrapav | Glatka, nepromijenjena |
| Propusnost nakon 3-5 godina | Može se razviti kroz-propuštanje zidova | Može se razviti kroz-propuštanje zidova | Nikada (nulta propusnost) |
| Vijek trajanja u Fe₂(SO₄)3 na 80 stupnjeva (godine) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
Povratne informacije o eroziji-Kompozitnoj degradaciji
Degradacija smole stvara površinsku poroznost. Porozna površina je mehanički slabija od izvorne površine-impregnirane smolom. U tekućoj otopini željeznog sulfata, porozna površina erodira brže nego glatka, nepropusna površina. Erozija uklanja degradiranu smolu i djelomično odvojene čestice grafita, izlažući svježi materijal kemijskom napadu.
Ova povratna petlja-kemijski napad stvara poroznost, poroznost ubrzava eroziju, erozija otkriva svježu površinu-znači da je stopa razgradnje nepropusnog grafita brža nego što bi sama stopa kemijske oksidacije mogla predvidjeti. Kombinirana kemo-mehanička degradacija određuje stvarni vijek trajanja.
PTFE nema takve povratne informacije. Homogena polimerna površina polako i ravnomjerno erodira pod protokom, bez kemijskog doprinosa gubitku materijala. Brzina erozije određena je isključivo brzinom tekućine i abrazivnošću bilo kojih čimbenika suspendiranih čvrstih tvari- koji utječu na oba materijala, ali su kemijski napadi samo u grafitu.
Sažetak
PTFE izmjenjivači topline nadmašuju nepropusni grafit u vrućim otopinama željeznog sulfata jer je PTFE homogeni materijal bez smole koja bi mogla oksidirati. Nepropusni grafit temelji se na impregnantu od fenolne ili furanske smole koji je postupno napadnut oksidirajućim željeznim ionom, stvarajući površinsku poroznost koja ubrzava eroziju i na kraju dovodi do propuštanja kroz -stjenku. PTFE daje glatku, kemijski inertnu površinu koja se razgrađuje samo sporom mehaničkom erozijom, pružajući 15+ godina radnog vijeka naspram 3-8 godina za nepropusni grafit.
Inženjerska podrška za specifikaciju PTFE izmjenjivača topline u primjenama željeznog sulfata i drugih oksidirajućih otopina dostupna je nakon podnošenja podataka o sastavu otopine, temperaturi, brzini protoka i trenutnom vijeku trajanja opreme.
