Kjemien som angriper titan
Titan motstår natriumhypokloritt gjennom dannelsen av en passiv oksidfilm som er stabil i nøytrale og alkaliske løsninger. Filmen er grunnen til at titan fungerer godt i bleking ved moderat temperatur og konsentrasjon. Filmen brytes ned når temperaturen stiger over 70 grader, når konsentrasjonen stiger over 15 %, eller når pH synker under 9.
Korrosjonshastigheten til titan i hypoklorittdrift ved 60 grader og 12 % hypokloritt er vanligvis mindre enn 0,05 mm per år. Ved 80 grader og 15 % hypokloritt øker hastigheten til 0,3–0,8 mm per år. Ved 90 grader og 15 % hypokloritt kan hastigheten overstige 1,5 mm per år.
Korrosjonen starter typisk ved rørendene der strømningshastigheten er lav og temperaturen er høy, og ved rør-til-rørplateskjøtene der spaltegeometrien konsentrerer de korrosive artene. Korrosjonen viser seg som gropdannelse, som trenger inn i rørveggen og forårsaker lekkasje.
Kjemien som angriper PTFE
PTFE er motstandsdyktig mot natriumhypokloritt i alle konsentrasjoner og temperaturer innenfor dets bruksområde. Karbon-fluorbindingene blir ikke angrepet av hypoklorittet eller kaustisk soda som stabiliserer blekemidlet. Materialet korroderer ikke, og levetiden bestemmes av mekaniske faktorer fremfor kjemisk angrep.
Den eneste nedbrytningsmekanismen for PTFE i hypokloritttjeneste er diffusjonen av hypoklorittet og kaustikumet inn i de amorfe områdene av polymeren. Diffusjonen er langsom, og effekten på de mekaniske egenskapene er beskjeden. Levetiden til en PTFE-varmeveksler i hypoklorittdrift er typisk 12–18 år.
Thermal Conductivity Gap
Den termiske ledningsevnen til titan er omtrent 22 W/m·K, sammenlignet med 0,25 W/m·K for PTFE. Forholdet er omtrent 88:1.
For en varmeveksler som leverer 40 kW i 12 % hypokloritt ved 60 grader, krever en titanenhet omtrent 3 m² overflate, basert på en total varmeoverføringskoeffisient på 800 W/m²·K og en logaritmisk middeltemperaturforskjell på 17 grader. En PTFE-enhet for samme bruk krever omtrent 12 m² overflate, basert på en total koeffisient på 200 W/m·K og samme temperaturforskjell.
PTFE-enheten er 4 ganger større enn titanenheten. Jo større størrelse øker kapitalkostnaden, gulvplassen og væskevolumet. Den lavere varmefluksen reduserer rørveggens temperatur, noe som er gunstig for prosessen, men det større overflatearealet gir også mer overflate for avleiringer og krever mer tid å rengjøre.
Nedbrytningsproblemet ved forhøyet temperatur
Natriumhypokloritt brytes ned med en hastighet som øker med temperaturen. Ved 60 grader er nedbrytningshastigheten omtrent 2 % per dag. Ved 70 grader er hastigheten omtrent 5 % per dag. Ved 80 grader er hastigheten omtrent 10 % per dag. Nedbrytningen genererer klorgass og saltsyre, som er etsende for begge materialene.
Nedbrytningshastigheten begrenser den praktiske driftstemperaturen for både titan og PTFE. Ved temperaturer over 70 grader er nedbrytningshastigheten høy nok til at hypoklorittkonsentrasjonen må fylles på kontinuerlig, og klorgassen må luftes ut. Materialvalget må ta hensyn til klorgassen og nedbrytningsproduktene.
Titan er spesielt utsatt for saltsyren som dannes ved nedbrytningen. Syren senker pH og akselererer titankorrosjonen. PTFE er motstandsdyktig mot saltsyren og klorgassen, så nedbrytningen påvirker ikke PTFEs levetid.
Sammenligning av de to materialene i Hypochlorite Bleach Service
Følgende tabell oppsummerer ytelsen og kostnadsegenskapene til PTFE- og titanvarmevekslere i hypoklorittbleketjeneste ved 60 grader med 12 % natriumhypokloritt.
| Karakteristisk | Titan varmeveksler | PTFE varmeveksler | Fordel |
|---|---|---|---|
| Termisk ledningsevne | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Titanium |
| Total varmeoverføringskoeffisient | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Titanium |
| Overflate nødvendig for 40 kW | 3 m² | 12 m² | Titanium |
| Kjemisk motstand mot 12 % hypokloritt ved 60 grader | Glimrende | Glimrende | Lik |
| Kjemisk motstand mot 15 % hypokloritt ved 80 grader | Fattig | Glimrende | PTFE |
| Kjemisk motstand mot klorgass | Moderat | Glimrende | PTFE |
| Maksimal driftstemperatur | 70 grader (praktisk) | 260 grader | PTFE |
| Mekanisk styrke | Høy | Moderat | Titanium |
| Motstand mot termisk sjokk | Moderat | Høy | PTFE |
| Reparasjonsevne | Begrenset | God | PTFE |
| Levetid ved bruk av hypokloritt | 5–8 år | 12–18 år | PTFE |
| Kapitalkostnad for 40 kW avgift | $32,000 | $34,000 | Titanium |
| Installasjonskostnad | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Årlig vedlikeholdskostnad | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Fem-års totalkostnad | $76,000 | $55,500 | PTFE |
De fem-års totale kostnadsverdiene antar en produksjonsverdi på USD 600 per time og inkluderer kapitalkostnaden, installasjonskostnaden og vedlikeholdskostnaden over fem år.
Når titan er det bedre valget
Titan er det bedre valget i flere spesifikke bruksområder.
Lav-temperaturtjeneste.Ved temperaturer under 50 grader motstår titan hypokloritt uten problemer, og den høyere varmeledningsevnen reduserer det nødvendige overflatearealet og kapitalkostnadene.
Lav-konsentrasjonstjeneste.Ved konsentrasjoner under 10 % motstår titan hypokloritt ved temperaturer opp til 60 grader, og den høyere varmeledningsevnen reduserer det nødvendige overflatearealet.
Plass-installasjoner.Når den tilgjengelige plassen er sterkt begrenset, kan den mindre titanenheten være det eneste mulige alternativet. PTFE-enheten vil kreve 4 ganger overflatearealet, som kanskje ikke får plass i den tilgjengelige plassen.
Høytrykkstjeneste.{{0}Titan har høyere mekanisk styrke enn PTFE og tåler høyere trykk. For hypokloritt bruk ved trykk over 10 bar, kan titan være det eneste levedyktige alternativet.
Når PTFE er det bedre valget
PTFE er det bedre valget i flere spesifikke bruksområder.
Høy-temperaturtjeneste.Ved temperaturer over 60 grader motstår PTFE nedbrytningsproduktene bedre enn titan, og levetiden er lengre.
Høy-konsentrasjonstjeneste.Ved konsentrasjoner over 12 % motstår PTFE hypoklorittet og kaustikumet bedre enn titan.
Klorgasseksponering.Hvis dekomponeringen genererer klorgass, motstår PTFE gassen bedre enn titan.
Termisk sykkeltjeneste.PTFE har høyere termisk støtmotstand enn titan, noe som gjør den egnet for bruk med hyppige temperaturendringer.
Krav til lang levetid.Når varmeveksleren forventes å ha en levetid på 10 år eller mer, er PTFE det bedre valget fordi den motstår det kjemiske angrepet over en lengre periode.
Designfunksjoner som forlenger levetiden
Flere designfunksjoner forlenger levetiden til både PTFE og titan varmevekslere i hypokloritt blekemiddel.
Lavere driftstemperatur.Å redusere driftstemperaturen fra 70 grader til 50 grader reduserer nedbrytningshastigheten og det kjemiske angrepet på varmevekslermaterialet.
Lavere konsentrasjon.Å redusere hypoklorittkonsentrasjonen fra 15 % til 10 % reduserer det kjemiske angrepet og nedbrytningshastigheten.
pH-kontroll.Ved å holde pH over 10 reduseres korrosjonen av titan og nedbrytningen av hypoklorittet.
Strømningshastighetskontroll.Ved å opprettholde en moderat strømningshastighet reduseres grenselagets tykkelse og konsentrasjonen av nedbrytningsprodukter ved røroverflaten.
På-plasser rengjøringsmidler.Koblinger for tilførsel og retur av renseløsning gjør at varmeveksleren kan rengjøres uten demontering, noe som reduserer nedetiden og produksjonstapet.
Spesifikasjonsparametre for Hypoklorittbleketjeneste
Utstyrsingeniører som vurderer PTFE- og titanvarmevekslere for hypoklorittbleketjeneste bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Hypoklorittkonsentrasjon.Angi maksimal konsentrasjon og forventet område.
Driftstemperatur.Angi maksimal driftstemperatur og forventet temperaturprofil.
pH.Spesifiser pH-området og kontrollmetoden.
Driftstrykk.Angi maksimalt driftstrykk.
Varmebelastning og overflateareal.Spesifiser varmebelastningen og nødvendig overflateareal for hvert materialalternativ.
Nedbrytningshastighet.Spesifiser forventet dekomponeringshastighet og klorgassgenereringshastighet.
Plassbegrensninger.Spesifiser tilgjengelig plass og maksimalt tillatt fotavtrykk.
Levetid krav.Angi forventet levetid og utskiftingsplanen.
Matchende materialvalg til bruksbetingelser for hypokloritt
Valget mellom PTFE- og titanvarmevekslere i hypoklorittbleketjeneste avhenger av temperaturen, konsentrasjonen, pH-verdien og levetidskravet. Titan har en høyere varmeledningsevne og krever mindre overflateareal, men det er utsatt for korrosjon ved forhøyet temperatur og høy konsentrasjon. PTFE har lavere varmeledningsevne og krever mer overflate, men det er motstandsdyktig mot hypokloritt i alle konsentrasjoner og temperaturer.
Valgbeslutningen bør være basert på en anleggsspesifikk analyse som inkluderer kapitalkostnaden, vedlikeholdskostnaden og eksponeringen for produksjonstap. En enkel regnearkmodell med disse kostnadskomponentene gir informasjonen som trengs for å ta avgjørelsen.
For hypoklorittblekeserviceanlegg som evaluerer varmeveksleralternativer, bør materialvalget være basert på de totale eierkostnadene over forventet levetid, ikke bare kapitalkostnaden eller den termiske ytelsen. En titanenhet med lavere kapitalkostnad kan ha høyere levetidskostnad hvis den krever hyppig utskifting.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som vurderer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for hypoklorittblekemiddel eller annen oksiderende tjeneste, kan be om en designgjennomgang som dekker hypoklorittkonsentrasjon, driftstemperatur, pH, driftstrykk og levetidskrav for å bekrefte at materialvalget er tilpasset de faktiske driftsforholdene og kostnadsstrukturen til anlegget.
