Химия, атакующая титан
Титан устойчив к гипохлориту натрия за счет образования пассивной оксидной пленки, стабильной в нейтральных и щелочных растворах. Благодаря пленке титан хорошо работает при отбеливании при умеренной температуре и концентрации. Пленка разрушается при повышении температуры выше 70 градусов, при повышении концентрации выше 15% или при понижении pH ниже 9.
Скорость коррозии титана при работе с гипохлоритом при температуре 60 градусов и 12% гипохлорите обычно составляет менее 0,05 мм в год. При 80 градусах и 15% гипохлорите скорость увеличивается до 0,3–0,8 мм в год. При 90 градусах и 15% гипохлорите показатель может превышать 1,5 мм в год.
Коррозия обычно начинается на концах трубы, где скорость потока низкая, а температура высокая, а также в местах соединения трубы-с-трубной решеткой, где геометрия щелей концентрирует коррозионные вещества. Коррозия проявляется в виде точечной коррозии, которая проникает в стенку трубы и вызывает утечку.
Химия, которая атакует ПТФЭ
ПТФЭ устойчив к гипохлориту натрия при всех концентрациях и температурах в пределах своего рабочего диапазона. Связи углерод-фтор не подвергаются воздействию гипохлорита или каустической соды, которые стабилизируют отбеливатель. Материал не подвергается коррозии, а срок службы определяется механическими факторами, а не химическим воздействием.
Единственным механизмом разложения ПТФЭ при использовании гипохлорита является диффузия гипохлорита и каустика в аморфные области полимера. Диффузия происходит медленно, а влияние на механические свойства умеренное. Срок службы теплообменника из ПТФЭ при работе с гипохлоритом обычно составляет 12–18 лет.
Зазор теплопроводности
Теплопроводность титана составляет примерно 22 Вт/м·К по сравнению с 0,25 Вт/м·К для ПТФЭ. Соотношение составляет примерно 88:1.
Для теплообменника, обеспечивающего мощность 40 кВт в 12% гипохлорите при температуре 60 градусов, титановому блоку требуется площадь поверхности примерно 3 м², исходя из общего коэффициента теплопередачи 800 Вт/м²·К и средней логарифмической разницы температур 17 градусов. Для установки из ПТФЭ для той же задачи требуется около 12 м² площади поверхности, исходя из общего коэффициента 200 Вт/м·К и той же разницы температур.
ПТФЭ-блок в 4 раза больше титанового. Больший размер увеличивает капитальные затраты, занимаемую площадь и объем жидкости. Меньший тепловой поток снижает температуру стенки трубы, что полезно для процесса, но большая площадь поверхности также обеспечивает большую поверхность для отложений и требует больше времени для очистки.
Проблема разложения при повышенной температуре
Гипохлорит натрия разлагается со скоростью, которая увеличивается с температурой. При 60 градусах скорость разложения составляет примерно 2% в день. При 70 градусах ставка составляет примерно 5% в день. При 80 градусах скорость составляет примерно 10% в день. В результате разложения образуются газообразный хлор и соляная кислота, которые вызывают коррозию обоих материалов.
Скорость разложения ограничивает практическую рабочую температуру как для титана, так и для ПТФЭ. При температуре выше 70 градусов скорость разложения настолько высока, что концентрацию гипохлорита необходимо постоянно пополнять, а газообразный хлор необходимо выпускать. При выборе материала необходимо учитывать газообразный хлор и продукты разложения.
Титан особенно чувствителен к соляной кислоте, образующейся при разложении. Кислота снижает pH и ускоряет коррозию титана. ПТФЭ устойчив к соляной кислоте и газообразному хлору, поэтому разложение не влияет на срок службы ПТФЭ.
Сравнение двух материалов в гипохлоритном отбеливателе
В следующей таблице приведены эксплуатационные и стоимостные характеристики теплообменников из ПТФЭ и титана при отбеливании гипохлоритом при температуре 60 градусов с 12% гипохлорита натрия.
| Характеристика | Титановый теплообменник | ПТФЭ теплообменник | Преимущество |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Титан |
| Общий коэффициент теплопередачи | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Титан |
| Площадь поверхности, необходимая для 40 кВт | 3 m² | 12 m² | Титан |
| Химическая стойкость к 12% гипохлориту при 60 градусах. | Отличный | Отличный | Равный |
| Химическая стойкость к 15% гипохлориту при 80 градусах. | Бедный | Отличный | ПТФЭ |
| Химическая стойкость к газообразному хлору | Умеренный | Отличный | ПТФЭ |
| Максимальная рабочая температура | 70 градусов (практический) | 260 градусов | ПТФЭ |
| Механическая прочность | Высокий | Умеренный | Титан |
| Устойчивость к термическому удару | Умеренный | Высокий | ПТФЭ |
| Ремонтопригодность | Ограниченный | Хороший | ПТФЭ |
| Срок службы при работе с гипохлоритом | 5–8 лет | 12–18 лет | ПТФЭ |
| Капитальные затраты на режим 40 кВт | $32,000 | $34,000 | Титан |
| Стоимость установки | $4,000 | $3,500 | ПТФЭ |
| Стоимость годового обслуживания | $4,000 | $1,500 | ПТФЭ |
| Общая стоимость-года за пять лет | $76,000 | $55,500 | ПТФЭ |
Общие значения затрат за пять-лет предполагают производственную стоимость в размере 600 долларов США в час и включают капитальные затраты, стоимость установки и стоимость обслуживания в течение пяти лет.
Когда титан — лучший выбор
Титан является лучшим выбором в ряде конкретных случаев.
Обслуживание при низких-температурах.При температуре ниже 50 градусов титан без труда противостоит гипохлориту, а более высокая теплопроводность снижает требуемую площадь поверхности и капитальные затраты.
Служба низкой-концентрации.При концентрациях ниже 10% титан устойчив к гипохлориту при температуре до 60 градусов, а более высокая теплопроводность уменьшает требуемую площадь поверхности.
Установки с ограниченным пространством-.Когда доступное пространство сильно ограничено, титановый блок меньшего размера может быть единственным возможным вариантом. Для блока из ПТФЭ потребуется в 4 раза больше площади поверхности, что может не поместиться в доступное пространство.
Служба-напряженного обслуживания.Титан имеет более высокую механическую прочность, чем ПТФЭ, и может выдерживать более высокое давление. Для работы с гипохлоритом при давлении выше 10 бар титан может быть единственным приемлемым вариантом.
Когда ПТФЭ — лучший выбор
ПТФЭ является лучшим выбором в ряде конкретных случаев.
Работа при высоких-температурах.При температуре выше 60 градусов ПТФЭ лучше противостоит продуктам разложения, чем титан, и срок службы у него больше.
Сервис высокой-концентрации.При концентрациях выше 12% ПТФЭ устойчив к гипохлориту и каустику лучше, чем титан.
Воздействие газообразного хлора.Если при разложении образуется газообразный хлор, ПТФЭ сопротивляется воздействию газа лучше, чем титан.
Услуга термоциклирования.ПТФЭ обладает более высокой термостойкостью, чем титан, что делает его пригодным для эксплуатации при частых изменениях температуры.
Требование длительного срока службы.Если ожидается, что срок службы теплообменника составит 10 и более лет, лучшим выбором будет ПТФЭ, поскольку он устойчив к химическому воздействию в течение более длительного периода.
Конструктивные особенности, продлевающие срок службы
Некоторые конструктивные особенности продлевают срок службы как тефлоновых, так и титановых теплообменников при работе с гипохлоритным отбеливателем.
Более низкая рабочая температура.Снижение рабочей температуры с 70 до 50 градусов снижает скорость разложения и химическое воздействие на материал теплообменника.
Меньшая концентрация.Снижение концентрации гипохлорита с 15% до 10% снижает химическое воздействие и скорость разложения.
Контроль pH.Поддержание pH выше 10 снижает коррозию титана и разложение гипохлорита.
Контроль скорости потока.Поддержание умеренной скорости потока снижает толщину пограничного слоя и концентрацию продуктов разложения на поверхности трубы.
Предусмотрены-уборочные средства.Соединения подачи и возврата моющего раствора позволяют очищать теплообменник без разборки, что сокращает время простоя и производственные потери.
Параметры спецификации для гипохлоритного отбеливателя
Инженеры по оборудованию, оценивающие теплообменники из ПТФЭ и титана для работы с гипохлоритным отбеливателем, должны подтвердить следующие параметры у поставщика.
Концентрация гипохлорита.Укажите максимальную концентрацию и ожидаемый диапазон.
Рабочая температура.Укажите максимальную рабочую температуру и ожидаемый температурный профиль.
рН.Укажите диапазон pH и метод контроля.
Рабочее давление.Укажите максимальное рабочее давление.
Тепловая нагрузка и площадь поверхности.Для каждого варианта материала укажите тепловую нагрузку и необходимую площадь поверхности.
Скорость разложения.Укажите ожидаемую скорость разложения и скорость образования газообразного хлора.
Ограничения по пространству.Укажите доступное пространство и максимально допустимую площадь.
Требование к сроку службы.Укажите ожидаемый срок службы и график замены.
Соответствие выбора материала условиям эксплуатации гипохлорита
Выбор между теплообменниками из ПТФЭ и титана при использовании гипохлоритного отбеливателя зависит от температуры, концентрации, pH и требований к сроку службы. Титан имеет более высокую теплопроводность и требует меньшей площади поверхности, но подвержен коррозии при повышенной температуре и высокой концентрации. ПТФЭ имеет более низкую теплопроводность и требует большей площади поверхности, но он устойчив к гипохлориту при всех концентрациях и температурах.
Решение о выборе должно основываться на анализе конкретного объекта-, который включает в себя капитальные затраты, затраты на техническое обслуживание и риск производственных потерь. Простая модель электронной таблицы с этими компонентами затрат предоставляет информацию, необходимую для принятия решения.
На предприятиях по обслуживанию гипохлоритного отбеливателя, оценивающих варианты теплообменников, выбор материала должен основываться на общей стоимости владения в течение ожидаемого срока службы, а не только на капитальных затратах или тепловых характеристиках. Титановый блок с более низкими капитальными затратами может иметь более высокую стоимость срока службы, если он требует частой замены.
Инженеры по оборудованию и специалисты по закупкам, оценивающие характеристики теплообменника из ПТФЭ для гипохлоритного отбеливателя или других окислительных услуг, могут запросить анализ конструкции, включающий концентрацию гипохлорита, рабочую температуру, pH, рабочее давление и требования к сроку службы, чтобы подтвердить, что выбор материала соответствует фактическим условиям эксплуатации и структуре затрат объекта.
