Проблема отложения гипса
Отложения сульфата кальция поражают теплообменники в горнодобывающей промышленности, переработке полезных ископаемых и очистке промышленных сточных вод. Гипс обладает обратной растворимостью-он быстрее выпадает в осадок при повышении температуры. Самая горячая поверхность в системе, стенка трубки теплообменника, становится предпочтительным местом для зарождения и роста кристаллов.
Традиционное понимание связывает устойчивость ПТФЭ к образованию окалины с его низкой поверхностной энергией. Кристаллы сульфата кальция менее легко зарождаются на не-неприлипающей поверхности фторполимера, чем на высоко-оксидах металлов. Это объяснение правильное, но неполное. Второй механизм, связанный с поведением теплового пограничного слоя, в равной степени способствует разнице в скорости накипи между металлическими поверхностями и поверхностями из ПТФЭ.
Двойной механизм образования накипи
Образование накипи на поверхности теплопередачи включает два последовательных этапа. Во-первых, растворенные ионы должны диффундировать через тепловой пограничный слой, чтобы достичь поверхности. Во-вторых, попав на поверхность, ионы должны зародиться и вырасти в прилипшие кристаллы.
Термический пограничный слой представляет собой застойную или медленно движущуюся пленку жидкости, прилегающую к стенке трубы. Его толщина зависит от скорости жидкости, диаметра трубки и свойств жидкости. Внутри этого слоя теплообмен осуществляется за счет проводимости, создавая температурный градиент от температуры объемной жидкости до температуры более горячей стенки.
Для отложения гипса решающее значение имеет температурный градиент внутри пограничного слоя. Растворимость сульфата кальция снижается с повышением температуры. Жидкость на границе со стенкой более горячая, чем основная жидкость, поэтому она более пересыщена по отношению к гипсу. Степень пересыщения стенки определяет движущую силу кристаллизации.
Таблица 1. Пограничный слой и параметры масштабирования для металлических поверхностей по сравнению с поверхностями из ПТФЭ (насыщенный раствор гипса-, объем 60 градусов, стенка 80 градусов)
| Параметр | Нержавеющая сталь | Титан | ПТФЭ |
|---|---|---|---|
| Поверхностная энергия (мН/м) | 40-50 | 35-45 | 18-20 |
| Теплопроводность (Вт/м·К) | 16 | 22 | 0.25 |
| Перепад температуры на стенке трубы (градусы) | < 1 | < 1 | 8-12 |
| Истинная температура поверхности стены (градусы) | ~80 | ~80 | 68-72 |
| Коэффициент перенасыщения гипсом на поверхности стены | 3.5-4.0× | 3.5-4.0× | 2.0-2.5× |
| Скорость нуклеации (относительная) | 1,0 (базовый уровень) | 0.9 | 0.2-0.3 |
| Адгезионная прочность покрытия (относительная) | 1,0 (базовый уровень) | 0.8 | 0.1-0.2 |
Преимущество температуры стенки ПТФЭ
Низкая теплопроводность ПТФЭ, которую обычно считают недостатком, дает неожиданное преимущество при использовании-предрасположенных к накипи объектов. Температурный градиент на стенке трубы из ПТФЭ значителен,-обычно составляет 8-12 градусов для змеевика с паровым нагревом. Внешняя поверхность трубы, контактирующая с технологической жидкостью, существенно холоднее, чем температура пара внутри.
Металлическая трубка с незначительным сопротивлением стенки имеет температуру внешней поверхности, почти равную внутренней температуре пара. Если пар при давлении 3 бар (143 градуса) нагревает технологическую жидкость до 60 градусов, внешняя поверхность металлической трубки может иметь температуру 80 градусов. Внешняя поверхность трубки из ПТФЭ в идентичных условиях может составлять 68-72 градуса.
Эта разница в 10 градусов уменьшает перенасыщение гипсом на поверхности стены. Поскольку скорость зародышеобразования экспоненциально зависит от пересыщения, более холодная поверхность ПТФЭ способствует образованию кристаллов со скоростью, меньшей, чем на более горячей поверхности металла.
Эффект усугубляется. Меньшее зародышеобразование означает меньший масштаб. Меньшее количество накипи означает, что температура поверхности ПТФЭ не будет повышаться дальше по мере образования изолирующего слоя накипи. Металлическая поверхность, накапливающая окалину быстрее, испытывает повышение температуры стенок, поскольку окалина изолирует ее, что еще больше увеличивает пересыщение и ускоряет образование накипи в разрушительной петле обратной связи.
Поверхностная энергия: второй фактор
Низкая поверхностная энергия ПТФЭ обеспечивает вторую защиту от образования накипи. Даже когда кристаллы зарождаются вблизи поверхности ПТФЭ, они прилипают слабо. Межфазная связь между кристаллом гидрофильного гипса и поверхностью гидрофобного фторполимера слабая. Сдвиг жидкости при нормальном потоке выбивает зарождающиеся кристаллы до того, как они вырастут достаточно большими, чтобы сформировать связный слой накипи.
Поверхности оксидов металлов с высокой поверхностной энергией и обилием гидроксильных групп образуют прочные связи с кристаллами сульфата кальция. После зарождения монослоя гипса на металле последующий рост кристаллов происходит на существующем гипсовом слое. Преимущество поверхностной энергии, возникающее при запуске на чистой металлической поверхности, сразу же теряется.
Комбинированный эффект в сфере промышленного обслуживания
Сочетание более низкой истинной температуры стенки и более низкой поверхностной энергии придает ПТФЭ устойчивость к образованию окалины, что подтверждает опыт эксплуатации. В растворах, насыщенных гипсом-, где теплообменники из нержавеющей стали требуют удаления накипи каждые 4-8 недель, теплообменники из ПТФЭ работают 6-12 месяцев или дольше без значительного накопления накипи. Двойной механизм объясняет, почему ПТФЭ превосходит даже прогнозируемый аргумент низкой поверхностной энергии.
Краткое содержание
Поверхности теплообменника из ПТФЭ противостоят образованию отложений гипса за счет двух механизмов: более низкой истинной температуры стенки за счет температурного градиента на стенке трубы с низкой-проводимостью, что снижает движущую силу пересыщения и образования зародышей; и низкая поверхностная энергия, которая предотвращает прочное прилипание любых образующихся кристаллов. Металлические поверхности страдают как от более высокой температуры стенок, приводящей к более быстрому зародышеобразованию, так и от более высокой поверхностной энергии, плотно связывающей кристаллы.
Совокупный эффект приводит к тому, что скорость накипи на металле превышает скорость накипи на ПТФЭ в 3-5 и более раз. Недостаток теплопроводности ПТФЭ становится преимуществом против-отложений в условиях эксплуатации, насыщенной гипсом.
Технический анализ сопротивления накипи теплообменника из ПТФЭ в конкретных -предпочитаемых растворах доступен после предоставления данных о химическом составе раствора, рабочих температурах, текущих данных о скорости накипи и истории частоты очистки.
