Kemien, der angriber titan
Titanium modstår natriumhypochlorit gennem dannelsen af en passiv oxidfilm, der er stabil i neutrale og alkaliske opløsninger. Filmen er grunden til, at titanium fungerer godt i blegemiddel ved moderat temperatur og koncentration. Filmen nedbrydes, når temperaturen stiger over 70 grader, når koncentrationen stiger over 15%, eller når pH-værdien falder til under 9.
Korrosionshastigheden af titan i hypochlorit-service ved 60 grader og 12% hypochlorit er typisk mindre end 0,05 mm om året. Ved 80 grader og 15 % hypoklorit stiger hastigheden til 0,3-0,8 mm om året. Ved 90 grader og 15 % hypochlorit kan hastigheden overstige 1,5 mm om året.
Korrosionen starter typisk ved rørenderne, hvor strømningshastigheden er lav, og temperaturen er høj, og ved rør-til-rørpladesamlingerne, hvor sprækkegeometrien koncentrerer de korrosive arter. Korrosionen viser sig som grubetæring, som trænger ind i rørvæggen og forårsager en lækage.
Kemien, der angriber PTFE
PTFE er modstandsdygtig over for natriumhypochlorit ved alle koncentrationer og temperaturer inden for dets serviceområde. Kulstof-fluorbindingerne angribes ikke af hypoklorit eller kaustisk soda, der stabiliserer blegemidlet. Materialet korroderer ikke, og levetiden bestemmes af mekaniske faktorer frem for kemiske angreb.
Den eneste nedbrydningsmekanisme for PTFE i hypochloritservice er diffusionen af hypochloritten og kaustikumet ind i polymerens amorfe områder. Diffusionen er langsom, og effekten på de mekaniske egenskaber er beskeden. Levetiden for en PTFE varmeveksler i hypokloritdrift er typisk 12-18 år.
Den termiske ledningsevnegab
Den termiske ledningsevne af titanium er ca. 22 W/m·K sammenlignet med 0,25 W/m·K for PTFE. Forholdet er cirka 88:1.
For en varmeveksler, der leverer 40 kW i 12 % hypochlorit ved 60 grader, kræver en titanium enhed ca. 3 m² overfladeareal, baseret på en samlet varmeoverførselskoefficient på 800 W/m²·K og en log middeltemperaturforskel på 17 grader. En PTFE-enhed til samme opgaver kræver ca. 12 m² overfladeareal baseret på en samlet koefficient på 200 W/m·K og den samme temperaturforskel.
PTFE-enheden er 4 gange større end titanium-enheden. Jo større størrelse øger kapitalomkostningerne, gulvpladsen og væskevolumenet. Den lavere varmeflux reducerer rørvægstemperaturen, hvilket er gavnligt for processen, men det større overfladeareal giver også mere overflade til aflejringer og kræver mere tid at rense.
Nedbrydningsproblemet ved forhøjet temperatur
Natriumhypochlorit nedbrydes med en hastighed, der stiger med temperaturen. Ved 60 grader er nedbrydningshastigheden cirka 2 % pr. dag. Ved 70 grader er hastigheden cirka 5 % pr. dag. Ved 80 grader er hastigheden cirka 10 % pr. dag. Nedbrydningen genererer klorgas og saltsyre, som er ætsende for begge materialer.
Nedbrydningshastigheden begrænser den praktiske driftstemperatur for både titanium og PTFE. Ved temperaturer over 70 grader er nedbrydningshastigheden høj nok til, at hypochloritkoncentrationen løbende skal genopfyldes, og klorgassen skal udluftes. Materialevalget skal tage højde for klorgassen og nedbrydningsprodukterne.
Titanium er særligt modtageligt for den saltsyre, der dannes ved nedbrydningen. Syren sænker pH-værdien og fremskynder titaniumkorrosionen. PTFE er modstandsdygtigt over for saltsyren og klorgassen, så nedbrydningen påvirker ikke PTFE's levetid.
Sammenligning af de to materialer i Hypochlorite Bleach Service
Følgende tabel opsummerer ydeevne og omkostningskarakteristika for PTFE- og titaniumvarmevekslere i hypochloritblegeservice ved 60 grader med 12% natriumhypochlorit.
| Karakteristisk | Titanium varmeveksler | PTFE varmeveksler | Fordel |
|---|---|---|---|
| Termisk ledningsevne | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Titanium |
| Samlet varmeoverførselskoefficient | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Titanium |
| Kræver overfladeareal til 40 kW | 3 m² | 12 m² | Titanium |
| Kemisk modstandsdygtighed over for 12% hypoklorit ved 60 grader | Fremragende | Fremragende | Lige |
| Kemisk modstandsdygtighed over for 15% hypoklorit ved 80 grader | Dårlig | Fremragende | PTFE |
| Kemisk modstandsdygtighed over for klorgas | Moderat | Fremragende | PTFE |
| Maksimal driftstemperatur | 70 grader (praktisk) | 260 grader | PTFE |
| Mekanisk styrke | Høj | Moderat | Titanium |
| Termisk stødmodstand | Moderat | Høj | PTFE |
| Reparationsevne | Begrænset | God | PTFE |
| Levetid i hypoklorit-service | 5-8 år | 12-18 år | PTFE |
| Kapitaludgift for 40 kW told | $32,000 | $34,000 | Titanium |
| Installationsomkostninger | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Årlige vedligeholdelsesomkostninger | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Fem-års samlede omkostninger | $76,000 | $55,500 | PTFE |
De fem-årige samlede omkostningsværdier antager en produktionsværdi på 600 USD i timen og inkluderer kapitalomkostninger, installationsomkostninger og vedligeholdelsesomkostninger over fem år.
Når Titanium er det bedre valg
Titanium er det bedre valg i flere specifikke applikationer.
Lav-temperaturtjeneste.Ved temperaturer under 50 grader modstår titanium hypochlorit uden problemer, og den højere varmeledningsevne reducerer det nødvendige overfladeareal og kapitalomkostningerne.
Lav-koncentrationstjeneste.Ved koncentrationer under 10% modstår titanium hypochlorit ved temperaturer op til 60 grader, og den højere varmeledningsevne reducerer det nødvendige overfladeareal.
Plads-installationer.Når den tilgængelige plads er stærkt begrænset, kan den mindre titanium enhed være den eneste mulige mulighed. PTFE-enheden ville kræve 4 gange overfladearealet, hvilket muligvis ikke passer ind i den tilgængelige plads.
Høj-trykstjeneste.Titanium har højere mekanisk styrke end PTFE og kan modstå højere tryk. Til hypochloritservice ved tryk over 10 bar kan titanium være den eneste levedygtige mulighed.
Når PTFE er det bedre valg
PTFE er det bedre valg i flere specifikke applikationer.
Høj-temperaturservice.Ved temperaturer over 60 grader modstår PTFE nedbrydningsprodukterne bedre end titanium, og levetiden er længere.
Høj-koncentrationstjeneste.Ved koncentrationer over 12 % modstår PTFE hypochloritten og ætsningen bedre end titanium.
Udsættelse for chlorgas.Hvis nedbrydningen genererer klorgas, modstår PTFE gassen bedre end titanium.
Termisk cykelservice.PTFE har højere termisk stødmodstand end titanium, hvilket gør den velegnet til service med hyppige temperaturændringer.
Krav om lang levetid.Når varmeveksleren forventes at have en levetid på 10 år eller mere, er PTFE det bedre valg, fordi det modstår det kemiske angreb over en længere periode.
Designfunktioner, der forlænger levetiden
Adskillige designfunktioner forlænger levetiden for både PTFE- og titaniumvarmevekslere i hypokloritblegeservice.
Lavere driftstemperatur.Reduktion af driftstemperaturen fra 70 grader til 50 grader reducerer nedbrydningshastigheden og det kemiske angreb på varmevekslermaterialet.
Lavere koncentration.Reduktion af hypochloritkoncentrationen fra 15% til 10% reducerer det kemiske angreb og nedbrydningshastigheden.
pH kontrol.Ved at holde pH-værdien over 10 reduceres korrosionen af titanium og nedbrydningen af hypochloritten.
Flowhastighedskontrol.Ved at opretholde en moderat strømningshastighed reduceres grænselagets tykkelse og koncentrationen af nedbrydningsprodukter ved røroverfladen.
På-sted rengøringsmidler.Tilslutninger for rensevæsketilførsel og -retur gør det muligt at rengøre varmeveksleren uden demontering, hvilket reducerer nedetiden og produktionstabet.
Specifikationsparametre for Hypochlorite Bleach Service
Udstyrsingeniører, der vurderer PTFE- og titaniumvarmevekslere til hypochloritblegeservice, bør bekræfte følgende parametre med leverandøren.
Hypochlorit koncentration.Angiv den maksimale koncentration og det forventede interval.
Driftstemperatur.Angiv den maksimale driftstemperatur og den forventede temperaturprofil.
pH.Angiv pH-området og kontrolmetoden.
Driftstryk.Angiv det maksimale driftstryk.
Varmebelastning og overfladeareal.Angiv varmebelastningen og det nødvendige overfladeareal for hver materialemulighed.
Nedbrydningshastighed.Angiv den forventede nedbrydningshastighed og chlorgasgenereringshastigheden.
Pladsbegrænsninger.Angiv den tilgængelige plads og det maksimalt tilladte fodaftryk.
Krav om levetid.Angiv den forventede levetid og udskiftningsplanen.
Matchende materialevalg til Hypochlorit Servicebetingelser
Valget mellem PTFE og titanium varmevekslere i hypochlorit blegemiddel service afhænger af temperaturen, koncentrationen, pH og levetidskravet. Titanium har en højere termisk ledningsevne og kræver mindre overfladeareal, men det er modtageligt for korrosion ved forhøjet temperatur og høj koncentration. PTFE har en lavere varmeledningsevne og kræver mere overfladeareal, men det er modstandsdygtigt over for hypochlorit ved alle koncentrationer og temperaturer.
Valgbeslutningen bør baseres på en facilitets-specifik analyse, der inkorporerer kapitalomkostningerne, vedligeholdelsesomkostningerne og eksponeringen for produktionstab. En simpel regnearksmodel med disse omkostningskomponenter giver de nødvendige oplysninger til at træffe beslutningen.
For hypochloritblegeservicefaciliteter, der evaluerer varmevekslermuligheder, bør materialevalget baseres på de samlede ejeromkostninger over den forventede levetid, ikke kun kapitalomkostningerne eller den termiske ydeevne. En titanium enhed med en lavere kapitalomkostning kan have en højere levetidsomkostning, hvis den kræver hyppig udskiftning.
Udstyrsingeniører og indkøbsspecialister, der vurderer PTFE-varmevekslerspecifikationer for hypochloritblegemiddel eller anden oxiderende service, kan anmode om en designgennemgang, der dækker hypochloritkoncentration, driftstemperatur, pH, driftstryk og levetidskrav for at bekræfte, at materialevalget er afstemt med de faktiske serviceforhold og omkostningsstrukturen for anlægget.
