Двойная-среда атак
Процесс химической очистки чередуется между 15% раствором соляной кислоты при 70 градусах и 10% раствором гидроксида натрия при 80 градусах. Теплообменник подвергается воздействию экстремальных значений pH на обоих концах шкалы, при этом между циклами его необходимо промывать горячей водой. Кислота разъедает металлы и материалы,-чувствительные к щелочам. Каустика разъедает стекло, керамику на основе диоксида кремния- и амфотерные металлы. Лишь немногие материалы выдерживают обе среды.
Эмалированная сталь,-также называемая-сталью с футеровкой-, уже давно используется в коррозионно-активных химических средах. Стеклянная облицовка, боросиликатная эмаль, сплавленная со стальной подложкой при высокой температуре, хорошо противостоит кислотам. Он широко используется в корпусах реакторов, резервуарах для хранения и теплообменниках в химической и фармацевтической промышленности.
ПТФЭ устойчив как к кислотам, так и к щелочам во всем спектре pH. Выбор между эмалированной сталью и ПТФЭ для попеременной кислотно--щелочной эксплуатации определяется едкой стороной цикла,-где эмалированная сталь имеет фундаментальную уязвимость.
Механизм коррозии стекла в щелочи
Стекло представляет собой диоксид кремния с различными модификаторами оксидов металлов. В щелочных растворах ионы гидроксида атакуют кремний-кислородные связи, образующие сетку стекла. Реакция:
SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O
Силикат натрия растворим и растворяется в щелочном растворе. Поверхность стекла постепенно вытравливается. Скорость зависит от температуры, концентрации каустика и конкретного состава стекла.
Боросиликатное стекло-используется для эмалированной стали-содержит оксид бора, который повышает химическую стойкость. Но в 10% растворе NaOH при 80 градусах даже боросиликатное стекло корродирует примерно со скоростью 0,01-0,05 мм/год. В таких условиях стеклянная облицовка толщиной 0,8-1,2 мм теряет 10-60% своей толщины за 10-летний срок службы.
Коррозия редко бывает идеально однородной. Микроскопические дефекты, пузырьки или тонкие пятна на стеклянной облицовке корродируют быстрее. После проникновения стекла лежащая под ним сталь подвергается воздействию переменной кислотно-щелочной среды. В обоих случаях сталь быстро корродирует. Футеровка выходит из строя локально, и оборудование необходимо перестеклить или заменить.
Таблица 1. Сравнение производительности кислотно--щелочного цикла
| Параметр производительности | Эмалированная (стеклянная-футеровка) сталь | ПТФЭ |
|---|---|---|
| Кислотостойкость (HCl, H₂SO₄) | Отличный | Отличный |
| Щелочная стойкость (NaOH, КОН) | Плохое (растворение стекла) | Отличный |
| Скорость коррозии в 10% растворе NaOH при температуре 80 градусов (мм/год) | 0.01-0.05 | 0 |
| Толщина футеровки/покрытия (мм) | 0.8-1.2 | 1,0-1,5 (стенка трубы) |
| Расчетный срок службы футеровки при переменном pH | 3-8 лет | 15+ лет |
| Метод ремонта | Заводское перестекление; недели простоя | Заглушка на месте или замена секции трубки |
| Устойчивость к термическому удару | Умеренный (ΔT макс ~100 градусов) | Excellent (>200 градусов ΔТ) |
| Устойчивость к механическому удару | Плохое (хрупкое; сколы при ударе) | Хорошо (эластичное восстановление) |
| Режим отказа | Проникновение футеровки → коррозия стали | Постепенное ползучее утончение |
| Обнаруживаемость приближающегося отказа | Сложный (повреждения футеровки часто незаметны) | Легко (ультразвуковое измерение толщины) |
Фактор теплового шока
Переход от горячей кислоты к горячему щелочному раствору при промывке водой создает условия термического шока. Эмалированный стальной теплообменник подвергается быстрому изменению температуры, что приводит к усилению связи стекла-с-сталью. Стекло и сталь имеют разные коэффициенты теплового расширения.-стекло составляет примерно 3–6 × 10⁻⁶/градус, сталь — 12–15 × 10⁻⁶/градус. Дифференциальное расширение создает напряжение сдвига на границе раздела.
В течение сотен термических циклов совокупное напряжение вызывает микро-трещины на границе раздела стекло-сталь. Эти трещины невидимы со стороны процесса. Они растут при непрерывном цикле езды, пока стекло не отслаивается от стали. Открытая сталь затем быстро корродирует.
У ПТФЭ нет поверхности для расслаивания. Материал однороден по толщине. Тепловое расширение компенсируется упругой деформацией всего компонента. Дифференциального напряжения не развивается.
Контраст обслуживания и ремонта
При выходе из строя-стального теплообменника, покрытого стекловолокном, весь блок необходимо снять и отправить в специализированное учреждение для замены стекла. Процесс занимает недели. Производство остановлено. Должен быть доступен запасной блок, иначе производственные мощности будут потеряны.
Когда в теплообменнике из ПТФЭ возникает утечка,-обычно после многих лет эксплуатации-, поврежденную трубку можно заткнуть в полевых условиях. Обменник продолжает работать с несколько сниженной мощностью. Капитальный ремонт или замена трубок запланированы при следующем плановом останове на техническое обслуживание.
Возможность-восстановления ПТФЭ в полевых условиях — значительное эксплуатационное преимущество в процессах, где непрерывность производства имеет решающее значение.
Краткое содержание
Теплообменники из ПТФЭ превосходят эмалированную сталь при работе в условиях переменно-кислотной-щелочной среды, поскольку ПТФЭ невосприимчив к растворению каустической кислоты, которое постепенно истончает стеклянную облицовку. Скорость коррозии стекла эмалированной стали в горячей щелочи в сочетании с термическим повреждением поверхности раздела стекло-сталь ограничивает срок службы до 3–8 лет. Срок службы ПТФЭ составляет 15+ лет без коррозии и расслоения границ раздела.
Возможность-ремонта ПТФЭ в полевых условиях дополнительно снижает затраты, связанные с простоем, по сравнению с заводской-заменой стекла, необходимой для ремонта эмалированной стали. Для процессов, чередующихся между кислотными и щелочными химическими составами, ПТФЭ является выбором с меньшим-риском и более длительным-сроком службы.
Технический анализ для выбора материалов для работы с переменным pH доступен после предоставления данных о концентрациях кислот и щелочей, рабочих температурах, частоте циклов и текущем сроке службы оборудования.
