Смешанные кислотные составы, определяющие границы
Системы регенерации смешанной кислоты работают с несколькими различными комбинациями кислот, и выбор материала зависит от того, какая комбинация присутствует.
Азотно--фтороводородные смеси.Они используются для травления нержавеющей стали и травления титана. Азотная кислота обеспечивает окислительный потенциал, а плавиковая кислота обеспечивает фторидную активность. Смесь агрессивна по отношению к большинству металлов и ко многим керамикам. ПТФЭ устойчив к воздействию смеси при всех концентрациях и температурах в пределах его диапазона. Карбид кремния устойчив к смеси при температуре до 80 градусов, но фторид разрушает карбид кремния при более высоких температурах.
Сернистые-фтористоводородные смеси.Они используются для травления алюминия и стекла. Серная кислота обеспечивает силу кислоты, а плавиковая кислота обеспечивает фторидную активность. ПТФЭ устойчив к смеси при всех концентрациях и температурах. Карбид кремния устойчив к смеси при температуре до 60 градусов, но фторид разрушает карбид кремния при более высоких температурах.
Азотно--серные смеси.Они используются для травления и пассивации металлов. Смесь является сильным окислителем, причем окислительный потенциал увеличивается с увеличением концентрации азотной кислоты. ПТФЭ устойчив к смеси при всех концентрациях и температурах. Карбид кремния устойчив к смеси при температуре до 100 градусов, но окислительный потенциал может атаковать зернограничную фазу карбида кремния.
Зазор теплопроводности
Карбид кремния имеет теплопроводность примерно 120 Вт/м·К по сравнению с 0,25 Вт/м·К для ПТФЭ. Соотношение составляет примерно 480:1.
Для теплообменника мощностью 60 кВт в смешанной системе рекуперации кислоты при температуре 70 градусов для блока из карбида кремния требуется примерно 3 м² площади поверхности, исходя из общего коэффициента теплопередачи 1000 Вт/м²·К и логарифмической средней разницы температур в 20 градусов. Для установки из ПТФЭ для той же задачи требуется площадь поверхности примерно 15 м², исходя из общего коэффициента 200 Вт/м·К и той же разницы температур.
Блок из ПТФЭ в 5 раз больше блока из карбида кремния. 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.
Атака фтора на керамику
Фторид в системах регенерации смешанных кислот воздействует на керамику по механизму, отличному от воздействия на металлы. Фторид реагирует с диоксидом кремния или оксидом алюминия в керамике, образуя растворимые фторидные соединения, которые растворяют керамику. Скорость разрушения зависит от концентрации фторида, температуры и конкретного состава керамики.
Карбид кремния обладает лучшей стойкостью к фториду, чем керамика на основе оксида алюминия-, поскольку зерна карбида кремния связаны с матрицей из нитрида кремния или карбида кремния, которая более устойчива к фториду. Однако зернограничная фаза может подвергаться воздействию фторида при повышенной температуре, что ослабляет керамику и в конечном итоге приводит к разрушению.
ПТФЭ устойчив к фториду при всех концентрациях и температурах в пределах своего рабочего диапазона. Связи углерод-фтор не разрушаются фторидом, а структура полимера не разрушается под воздействием химической среды. Это основная причина, по которой ПТФЭ рекомендуется использовать в смешанных системах улавливания кислот с высокими концентрациями фторидов.
Сравнение двух материалов при регенерации смешанной кислоты
В следующей таблице приведены эксплуатационные и стоимостные характеристики теплообменников из ПТФЭ и карбида кремния в режиме регенерации смешанной кислоты при 70 градусах с 10 % азотной кислоты и 3 % плавиковой кислоты.
| Характеристика | Теплообменник из карбида кремния | ПТФЭ теплообменник | Преимущество |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность | 120 W/m·K | 0.25 W/m·K | Карбид кремния |
| Общий коэффициент теплопередачи | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Карбид кремния |
| Площадь поверхности, необходимая для 60 кВт | 3 m² | 15 m² | Карбид кремния |
| Химическая стойкость к азотно--фтороводородной смеси | Хорошо при 70 градусах | Отличный | ПТФЭ |
| Химическая устойчивость к фториду | Умеренный | Отличный | ПТФЭ |
| Максимальная рабочая температура | 80 градусов (с фтором) | 260 градусов | ПТФЭ |
| Механическая прочность | Высокий | Умеренный | Карбид кремния |
| Устойчивость к термическому удару | Низкий | Высокий | ПТФЭ |
| Устойчивость к механическому удару | Низкий | Высокий | ПТФЭ |
| Ремонтопригодность | Ограниченный | Хороший | ПТФЭ |
| Срок службы в смешанной кислотной среде | 4–6 лет | 10–15 лет | ПТФЭ |
| Капитальные затраты на режим 60 кВт | $48,000 | $42,000 | ПТФЭ |
| Стоимость установки | $6,000 | $4,000 | ПТФЭ |
| Стоимость годового обслуживания | $5,000 | $2,000 | ПТФЭ |
| Общая стоимость-за пять лет | $109,000 | $72,000 | 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 керамика — лучший выбор
Керамика является лучшим выбором в ряде конкретных случаев.
Низкое содержание-фтора.Когда концентрация фторида ниже 1%, степень воздействия фторида керамики низкая, а срок службы продлевается. В этом случае более высокая теплопроводность карбида кремния снижает требуемую площадь поверхности и капитальные затраты.
Установки с ограниченным пространством-.Когда доступное пространство сильно ограничено, единственным возможным вариантом может быть установка меньшего размера из карбида кремния. Для блока из ПТФЭ потребуется в 5 раз больше площади поверхности, что может не поместиться в доступное пространство.
Работа при высоких-температурах без фтора.Когда смешанная кислота не содержит фторидов и температура превышает 100 градусов, карбид кремния сохраняет свою механическую прочность и химическую стойкость, тогда как ПТФЭ размягчается и теряет прочность при температуре выше 200 градусов.
Сервис высокой-чистоты.Карбид кремния не выщелачивает органические соединения в технологическую жидкость, что делает его пригодным для применений с высокой-чистотой, где выщелачивание органических веществ из ПТФЭ является проблемой.
Абразивный сервис.Карбид кремния обладает более высокой твердостью и износостойкостью, чем ПТФЭ, что делает его пригодным для работы с взвешенными твердыми частицами, которые могут истирать поверхность теплообменника.
Когда ПТФЭ — лучший выбор
ПТФЭ является лучшим выбором в ряде конкретных случаев.
Обслуживание с высоким-фтором.ПТФЭ устойчив к фториду во всех концентрациях, тогда как карбид кремния подвергается воздействию фторида при повышенной температуре.
Услуга термоциклирования.ПТФЭ обладает более высокой термостойкостью, чем карбид кремния, что делает его пригодным для эксплуатации при частых изменениях температуры.
Услуга механического воздействия.ПТФЭ более устойчив к механическим воздействиям, чем карбид кремния, что делает его подходящим для установок, где теплообменник может подвергаться вибрации или манипуляциям.
Ремонтопригодный сервис.Квалифицированный специалист может отремонтировать теплообменники из ПТФЭ на месте, что сокращает время простоя и производственные потери.
Обслуживание больших тепловых нагрузок.При больших тепловых нагрузках более низкие капитальные затраты на ПТФЭ становятся более существенными, а большая площадь поверхности не является сдерживающим фактором.
Конструктивные особенности, продлевающие срок службы
Некоторые конструктивные особенности продлевают срок службы как тефлоновых, так и керамических теплообменников при регенерации смешанной кислоты.
Более низкая рабочая температура.Снижение рабочей температуры снижает воздействие фторида на керамику и диффузию кислоты в ПТФЭ.
Более низкая концентрация фторида.Уменьшение концентрации фторида снижает воздействие на керамику. Концентрацию фторида следует постоянно контролировать и поддерживать ниже порогового значения для конкретного керамического материала.
Контроль скорости потока.Поддержание умеренной скорости потока уменьшает толщину пограничного слоя и концентрацию фторида на поверхности трубы.
Предусмотрены-уборочные средства.Соединения подачи и возврата моющего раствора позволяют очищать теплообменник без разборки, что сокращает время простоя и производственные потери.
Мониторинг температуры.Датчики температуры на входе и выходе теплообменника позволяют контролировать эффективность теплопередачи, что позволяет заблаговременно обнаружить загрязнение или деградацию.
Параметры спецификации для восстановления смешанной кислоты
Инженеры по оборудованию, оценивающие теплообменники из ПТФЭ и керамики для рекуперации смешанной кислоты, должны подтвердить следующие параметры у поставщика.
Смешанный кислотный состав.Укажите концентрации азотной кислоты, серной кислоты, плавиковой кислоты и других компонентов.
Рабочая температура.Укажите максимальную рабочую температуру и ожидаемый температурный профиль.
Концентрация фтора.Укажите максимальную концентрацию фторида и метод мониторинга.
Взвешенные твердые вещества.Укажите концентрацию и размер частиц взвешенных веществ в кислоте.
Тепловая нагрузка и площадь поверхности.Для каждого варианта материала укажите тепловую нагрузку и необходимую площадь поверхности.
Ограничения пространства.Укажите доступное пространство и максимально допустимую площадь.
Возможность обслуживания.Укажите ремонтопригодность объекта, включая возможность ремонта теплообменника на месте.
Требование к сроку службы.Укажите ожидаемый срок службы и график замены.
Соответствие выбора материала условиям эксплуатации смешанной кислоты
Выбор между ПТФЭ и керамическими теплообменниками при рекуперации смешанной кислоты зависит от концентрации фторида, температуры, ограничений по пространству и требований к сроку службы. Керамика имеет более высокую теплопроводность и требует меньшей площади поверхности, но она чувствительна к воздействию фторидов и тепловому удару. ПТФЭ имеет более низкую теплопроводность и требует большей площади поверхности, но он устойчив к фториду и термическому удару.
Решение о выборе должно основываться на анализе-специфического объекта, который включает в себя капитальные затраты, стоимость установки, затраты на техническое обслуживание и риск производственных потерь. Простая модель электронной таблицы с этими компонентами затрат предоставляет информацию, необходимую для принятия решения.
Для установок по рекуперации смешанной кислоты, оценивающих варианты теплообменника, выбор материала должен основываться на общей стоимости владения в течение ожидаемого срока службы, а не только на тепловых характеристиках или капитальных затратах. Керамический блок с более высокой теплопроводностью может иметь более высокую стоимость срока службы, если концентрация фторида высока и блок требует частой замены.
Инженеры по оборудованию и специалисты по закупкам, оценивающие характеристики теплообменника из ПТФЭ для рекуперации смешанной кислоты или других агрессивных работ, могут запросить анализ конструкции, включающий состав смешанной кислоты, рабочую температуру, концентрацию фторида, взвешенные твердые частицы и ограничения по пространству, чтобы подтвердить, что выбор материала соответствует фактическим условиям эксплуатации и структуре затрат объекта.
