Veggtemperaturen som bestemmer nedbrytningsmekanismen
En svovelsyreanodiseringslinje som opererer ved 20 grader med 15 % svovelsyre krever en varmeveksler for avkjøling. Rørveggtemperaturen er nær prosesstemperaturen fordi varmefluksen er lav og kjølevannet er bare noen få grader under prosessen. PTFE-røret opererer ved 20–25 grader, som er langt under temperaturen der en eventuell nedbrytningsmekanisme blir aktiv. Rørets levetid bestemmes av mekaniske faktorer, og levetiden er 15–20 år.
Et kjemisk prosessanlegg som konsentrerer svovelsyre ved 150 grader krever en varmeveksler for oppvarming. Rørveggens temperatur bestemmes av varmefluksen og den termiske motstanden til rørveggen. For en varmefluks på 2,0 W/cm² og en 0,8 mm vegg er veggtemperaturen ca. 215 grader. Ved denne temperaturen angriper svovelsyren PTFE med en målbar hastighet, og rørets levetid bestemmes av den kjemiske nedbrytningen i stedet for de mekaniske faktorene.
Veggtemperaturterskelen mellom disse to regimene er omtrent 180–200 grader for svovelsyretjeneste. Under denne terskelen er nedbrytningshastigheten langsom, og rørets levetid bestemmes av mekaniske faktorer. Over denne terskelen øker nedbrytningshastigheten raskt, og rørets levetid avtar med økende temperatur.
Den kjemiske nedbrytningsmekanismen over terskelen
Nedbrytningen av PTFE i varm svovelsyre skjer gjennom oksidasjon av de amorfe områdene av polymeren. Svovelsyren, spesielt ved høy konsentrasjon, er et sterkt oksidasjonsmiddel ved forhøyet temperatur. Syren angriper kjedeendene og defektstedene i de amorfe områdene, bryter polymerkjedene og skaper mindre fragmenter som løses opp eller blir ført bort av prosessvæsken.
Nedbrytningshastigheten øker eksponentielt med temperaturen. En temperaturøkning på 10 grader dobler omtrent nedbrytningshastigheten. Forskjellen mellom 180 grader og 220 grader er en faktor på 16 i nedbrytningshastigheten.
Nedbrytningen er ikke jevn over rørveggen. Angrepet starter ved overflaten og forplanter seg innover. Overflaten blir ru og porøs, og den mekaniske styrken avtar. Rørveggen tynnes over tid, og til slutt sprekker røret.
Effekten av syrekonsentrasjon
Nedbrytningshastigheten avhenger av svovelsyrekonsentrasjonen. Fortynnet svovelsyre (under 50 %) har et lavere oksidasjonspotensial enn konsentrert syre (over 90 %). Nedbrytningshastigheten i 50 % svovelsyre ved 200 grader er omtrent halvparten av hastigheten i 98 % svovelsyre ved samme temperatur.
Konsentrasjonseffekten er spesielt viktig ved svovelsyrekonsentrasjonstjeneste, hvor syrekonsentrasjonen øker etter hvert som vannet fordampes. Varmevekslerrørene i den konsentrerte enden av systemet ser en høyere syrekonsentrasjon og en høyere nedbrytningshastighet enn rørene i den fortynnede enden.
Effekten av oksiderende forurensninger
Nedbrytningshastigheten akselereres ved å oksidere forurensninger i svovelsyren. Salpetersyre, kromsyre og hydrogenperoksid er vanlige forurensninger som øker oksidasjonspotensialet til syren. Selv noen få prosent salpetersyre kan øke nedbrytningshastigheten med en faktor på to til tre.
Forurensningene påvirker også den maksimalt tillatte veggtemperaturen. I ren svovelsyre er terskelen omtrent 200 grader. I svovelsyre som inneholder 5 % salpetersyre, er terskelen omtrent 170 grader. I svovelsyre som inneholder 10 % salpetersyre, er terskelen omtrent 150 grader .
Kvantifisere den tillatte veggtemperaturen
Følgende tabell oppsummerer den maksimalt tillatte veggtemperaturen for ulike svovelsyrebruksforhold, basert på en nødvendig levetid på 10 år.
| Syrekonsentrasjon | Oksiderende forurensninger | Maksimal tillatt veggtemperatur | Nedbrytningsrate ved grense | Anbefalt rørveggtykkelse |
|---|---|---|---|---|
| 15% H2S04 | Ingen | 220 grader | 0,05 mm/år | 0,8 mm |
| 30% H2S04 | Ingen | 210 grader | 0,06 mm/år | 0,8 mm |
| 50% H2S04 | Ingen | 200 grader | 0,07 mm/år | 0,8 mm |
| 70% H2S04 | Ingen | 190 grader | 0,08 mm/år | 0,8 mm |
| 98% H2S04 | Ingen | 180 grader | 0,10 mm/år | 1,0 mm |
| 50% H2S04 | 5 % HNO3 | 170 grader | 0,10 mm/år | 1,0 mm |
| 50% H2S04 | 10 % HNO3 | 150 grader | 0,12 mm/år | 1,0 mm |
| 98% H2S04 | 5 % HNO3 | 150 grader | 0,15 mm/år | 1,2 mm |
De maksimalt tillatte veggtemperaturverdiene forutsetter en nødvendig levetid på 10 år og en minimum tillatt veggtykkelse på 0,3 mm. Nedbrytningsratene er basert på feltdata fra svovelsyreservice og laboratorietester.
Den mekaniske stressinteraksjonen
Maksimal tillatt veggtemperatur påvirkes av den mekaniske påkjenningen på røret. Kombinasjonen av termisk stress og trykkspenning reduserer den tillatte temperaturen fordi nedbrytningshastigheten øker med stress.
Den mekaniske påkjenningen har to effekter. For det første øker spenningen diffusjonshastigheten til syren inn i PTFE ved å åpne de amorfe områdene av polymeren. For det andre reduserer spenningen den mekaniske styrken til røret, noe som reduserer det tillatte veggtapet før brudd.
Spenningseffekten er spesielt viktig ved rør-til-rørplateskjøtene, der spenningskonsentrasjonen er høyest. Maksimal tillatt veggtemperatur ved skjøten er typisk 10–20 grader lavere enn i rørkroppen.
Designfunksjoner som reduserer veggtemperaturen
Flere designfunksjoner reduserer rørveggens temperatur for en gitt varmebelastning.
Større overflate.Et større overflateareal reduserer varmefluksen, noe som reduserer veggtemperaturen. En 50 % økning i overflateareal reduserer varmefluksen og veggtemperaturen med ca. 33 %.
Tynnere rørvegg.En tynnere vegg reduserer den termiske motstanden og veggtemperaturen for samme varmefluks. En 0,5 mm vegg har halvparten av termisk motstand av en 1,0 mm vegg.
Rørmateriale med høyere ledningsevne.En fylt PTFE-forbindelse med en termisk ledningsevne på 0,5 W/m·K har halvparten av veggens varmemotstand til virgin PTFE.
Høyere prosessstrømningshastighet.En høyere strømningshastighet øker prosess-sidefilmkoeffisienten og reduserer veggtemperaturen.
Høyere tjeneste-sidestrømningshastighet.En høyere damp- eller varmtvannshastighet øker service-sidefilmkoeffisienten og reduserer veggtemperaturen.
Overskrift for flytfordeling.En strømningsfordelingshode sikrer jevn strømning over rørbunten, noe som forhindrer lokaliserte varme flekker.
Sammenligning av rørmaterialer for høy-svovelsyreservice
Følgende tabell oppsummerer den maksimalt tillatte veggtemperaturen og levetiden for forskjellige PTFE-rørmaterialer i 98 % svovelsyredrift ved en varmestrøm på 1,5 W/cm².
| Rørmateriale | Termisk ledningsevne | Veggtemperatur på 1,5 W/cm² | Levetid ved 180 grader | Levetid ved 200 grader | Levetid ved 220 grader |
|---|---|---|---|---|---|
| Virgin PTFE | 0.25 W/m·K | 210 grader | 10–15 år | 5–8 år | 2–3 år |
| PTFE med høy-krystallinitet | 0.26 W/m·K | 205 grader | 12–18 år | 6–10 år | 3–4 år |
| Grafitt-fylt PTFE | 0.50 W/m·K | 165 grader | 15–20 år | 10–15 år | 5–8 år |
| Karbon-fylt PTFE | 0.65 W/m·K | 150 grader | 15–20 år | 12–18 år | 8–12 år |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 grader | 8–12 år | 4–6 år | 1–2 år |
Levetidsverdiene er estimater basert på feltdata og laboratorietesting. Den faktiske levetiden vil variere med syrekjemien, den mekaniske belastningen og operasjonspraksisen.
Spesifikasjonsparametre for svovelsyreservice
Utstyrsingeniører som spesifiserer en PTFE-varmeveksler for svovelsyreservice bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Syrekonsentrasjon.Angi maksimal konsentrasjon og forventet område.
Oksiderende forurensninger.Spesifiser konsentrasjonen av salpetersyre, kromsyre, hydrogenperoksid eller andre oksiderende stoffer.
Driftstemperatur.Angi maksimal driftstemperatur og forventet temperaturprofil.
Varmebelastning og overflateareal.Spesifiser varmebelastningen og nødvendig overflate.
Varmefluks.Spesifiser maksimal tillatt varmefluks basert på veggtemperaturgrensen.
Rørveggtykkelse.Spesifiser rørets veggtykkelse basert på varmefluksen og tillatt veggtemperatur.
Rørmateriale.Spesifiser rørmaterialet basert på veggtemperaturen og nedbrytningshastigheten.
Krav til levetid.Spesifiser forventet levetid og utskiftingsplanen.
Temperaturovervåking.Spesifiser temperatursensorene og overvåkingsmetoden for sporing av veggtemperaturen.
Tilpasse veggtemperatur til levetidskrav
Maksimal tillatt veggtemperatur for PTFE-varmevekslerrør i svovelsyredrift avhenger av syrekonsentrasjonen, de oksiderende forurensningene og nødvendig levetid. Under terskelen på 180–200 grader er nedbrytningshastigheten langsom, og rørets levetid bestemmes av mekaniske faktorer. Over terskelen øker nedbrytningshastigheten eksponentielt, og rørets levetid avtar raskt med økende temperatur.
Veggtemperaturen bør velges basert på levetidskravet og den totale eierkostnaden. En lavere veggtemperatur krever et større overflateareal eller et rørmateriale med høyere ledningsevne, noe som øker kapitalkostnaden. Men den lavere veggtemperaturen forlenger rørets levetid og reduserer vedlikeholdskostnadene.
For svovelsyreserviceanlegg som evaluerer alternativer for PTFE-varmeveksler, bør veggtemperaturen spesifiseres i anskaffelsesdokumentene og verifiseres ved igangkjøring. Standardkonfigurasjonen gitt av produsenten kan være optimalisert for kompakthet i stedet for levetid, og den resulterende veggtemperaturen kan overstige nedbrytningsterskelen.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som vurderer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for svovelsyre eller annen korrosiv tjeneste, kan be om en designgjennomgang som dekker syrekonsentrasjon, oksiderende forurensninger, driftstemperatur, varmefluks, rørveggtykkelse og rørmateriale for å bekrefte at enheten er tilpasset de faktiske driftsforholdene og levetidskravene til anlegget.
Veggtemperaturen som bestemmer nedbrytningsmekanismen
En svovelsyreanodiseringslinje som opererer ved 20 grader med 15 % svovelsyre krever en varmeveksler for avkjøling. Rørveggtemperaturen er nær prosesstemperaturen fordi varmefluksen er lav og kjølevannet er bare noen få grader under prosessen. PTFE-røret opererer ved 20–25 grader, som er langt under temperaturen der en eventuell nedbrytningsmekanisme blir aktiv. Rørets levetid bestemmes av mekaniske faktorer, og levetiden er 15–20 år.
Et kjemisk prosessanlegg som konsentrerer svovelsyre ved 150 grader krever en varmeveksler for oppvarming. Rørveggens temperatur bestemmes av varmefluksen og den termiske motstanden til rørveggen. For en varmefluks på 2,0 W/cm² og en 0,8 mm vegg er veggtemperaturen ca. 215 grader. Ved denne temperaturen angriper svovelsyren PTFE med en målbar hastighet, og rørets levetid bestemmes av den kjemiske nedbrytningen i stedet for de mekaniske faktorene.
Veggtemperaturterskelen mellom disse to regimene er omtrent 180–200 grader for svovelsyretjeneste. Under denne terskelen er nedbrytningshastigheten langsom, og rørets levetid bestemmes av mekaniske faktorer. Over denne terskelen øker nedbrytningshastigheten raskt, og rørets levetid avtar med økende temperatur.
Den kjemiske nedbrytningsmekanismen over terskelen
Nedbrytningen av PTFE i varm svovelsyre skjer gjennom oksidasjon av de amorfe områdene av polymeren. Svovelsyren, spesielt ved høy konsentrasjon, er et sterkt oksidasjonsmiddel ved forhøyet temperatur. Syren angriper kjedeendene og defektstedene i de amorfe områdene, bryter polymerkjedene og skaper mindre fragmenter som løses opp eller blir ført bort av prosessvæsken.
Nedbrytningshastigheten øker eksponentielt med temperaturen. En temperaturøkning på 10 grader dobler omtrent nedbrytningshastigheten. Forskjellen mellom 180 grader og 220 grader er en faktor på 16 i nedbrytningshastigheten.
Nedbrytningen er ikke jevn over rørveggen. Angrepet starter ved overflaten og forplanter seg innover. Overflaten blir ru og porøs, og den mekaniske styrken avtar. Rørveggen tynnes over tid, og til slutt sprekker røret.
Effekten av syrekonsentrasjon
Nedbrytningshastigheten avhenger av svovelsyrekonsentrasjonen. Fortynnet svovelsyre (under 50 %) har et lavere oksidasjonspotensial enn konsentrert syre (over 90 %). Nedbrytningshastigheten i 50 % svovelsyre ved 200 grader er omtrent halvparten av hastigheten i 98 % svovelsyre ved samme temperatur.
Konsentrasjonseffekten er spesielt viktig ved svovelsyrekonsentrasjonstjeneste, hvor syrekonsentrasjonen øker etter hvert som vannet fordampes. Varmevekslerrørene i den konsentrerte enden av systemet ser en høyere syrekonsentrasjon og en høyere nedbrytningshastighet enn rørene i den fortynnede enden.
Effekten av oksiderende forurensninger
Nedbrytningshastigheten akselereres ved å oksidere forurensninger i svovelsyren. Salpetersyre, kromsyre og hydrogenperoksid er vanlige forurensninger som øker oksidasjonspotensialet til syren. Selv noen få prosent salpetersyre kan øke nedbrytningshastigheten med en faktor på to til tre.
Forurensningene påvirker også den maksimalt tillatte veggtemperaturen. I ren svovelsyre er terskelen omtrent 200 grader. I svovelsyre som inneholder 5 % salpetersyre, er terskelen omtrent 170 grader. I svovelsyre som inneholder 10 % salpetersyre, er terskelen omtrent 150 grader .
Kvantifisere den tillatte veggtemperaturen
Følgende tabell oppsummerer den maksimalt tillatte veggtemperaturen for ulike svovelsyrebruksforhold, basert på en nødvendig levetid på 10 år.
| Syrekonsentrasjon | Oksiderende forurensninger | Maksimal tillatt veggtemperatur | Nedbrytningsrate ved grense | Anbefalt rørveggtykkelse |
|---|---|---|---|---|
| 15% H2S04 | Ingen | 220 grader | 0,05 mm/år | 0,8 mm |
| 30% H2S04 | Ingen | 210 grader | 0,06 mm/år | 0,8 mm |
| 50% H2S04 | Ingen | 200 grader | 0,07 mm/år | 0,8 mm |
| 70% H2S04 | Ingen | 190 grader | 0,08 mm/år | 0,8 mm |
| 98% H2S04 | Ingen | 180 grader | 0,10 mm/år | 1,0 mm |
| 50% H2S04 | 5 % HNO3 | 170 grader | 0,10 mm/år | 1,0 mm |
| 50% H2S04 | 10 % HNO3 | 150 grader | 0,12 mm/år | 1,0 mm |
| 98% H2S04 | 5 % HNO3 | 150 grader | 0,15 mm/år | 1,2 mm |
De maksimalt tillatte veggtemperaturverdiene forutsetter en nødvendig levetid på 10 år og en minimum tillatt veggtykkelse på 0,3 mm. Nedbrytningsratene er basert på feltdata fra svovelsyreservice og laboratorietester.
Den mekaniske stressinteraksjonen
Maksimal tillatt veggtemperatur påvirkes av den mekaniske påkjenningen på røret. Kombinasjonen av termisk stress og trykkspenning reduserer den tillatte temperaturen fordi nedbrytningshastigheten øker med stress.
Den mekaniske påkjenningen har to effekter. For det første øker spenningen diffusjonshastigheten til syren inn i PTFE ved å åpne de amorfe områdene av polymeren. For det andre reduserer spenningen den mekaniske styrken til røret, noe som reduserer det tillatte veggtapet før brudd.
Spenningseffekten er spesielt viktig ved rør-til-rørplateskjøtene, der spenningskonsentrasjonen er høyest. Maksimal tillatt veggtemperatur ved skjøten er typisk 10–20 grader lavere enn i rørkroppen.
Designfunksjoner som reduserer veggtemperaturen
Flere designfunksjoner reduserer rørveggens temperatur for en gitt varmebelastning.
Større overflate.Et større overflateareal reduserer varmefluksen, noe som reduserer veggtemperaturen. En 50 % økning i overflateareal reduserer varmefluksen og veggtemperaturen med ca. 33 %.
Tynnere rørvegg.En tynnere vegg reduserer den termiske motstanden og veggtemperaturen for samme varmefluks. En 0,5 mm vegg har halvparten av termisk motstand av en 1,0 mm vegg.
Rørmateriale med høyere ledningsevne.En fylt PTFE-forbindelse med en termisk ledningsevne på 0,5 W/m·K har halvparten av veggens varmemotstand til virgin PTFE.
Høyere prosessstrømningshastighet.En høyere strømningshastighet øker prosess-sidefilmkoeffisienten og reduserer veggtemperaturen.
Høyere tjeneste-sidestrømningshastighet.En høyere damp- eller varmtvannshastighet øker service-sidefilmkoeffisienten og reduserer veggtemperaturen.
Overskrift for flytfordeling.En strømningsfordelingshode sikrer jevn strømning over rørbunten, noe som forhindrer lokaliserte varme flekker.
Sammenligning av rørmaterialer for høy-svovelsyreservice
Følgende tabell oppsummerer den maksimalt tillatte veggtemperaturen og levetiden for forskjellige PTFE-rørmaterialer i 98 % svovelsyredrift ved en varmestrøm på 1,5 W/cm².
| Rørmateriale | Termisk ledningsevne | Veggtemperatur på 1,5 W/cm² | Levetid ved 180 grader | Levetid ved 200 grader | Levetid ved 220 grader |
|---|---|---|---|---|---|
| Virgin PTFE | 0.25 W/m·K | 210 grader | 10–15 år | 5–8 år | 2–3 år |
| PTFE med høy-krystallinitet | 0.26 W/m·K | 205 grader | 12–18 år | 6–10 år | 3–4 år |
| Grafitt-fylt PTFE | 0.50 W/m·K | 165 grader | 15–20 år | 10–15 år | 5–8 år |
| Karbon-fylt PTFE | 0.65 W/m·K | 150 grader | 15–20 år | 12–18 år | 8–12 år |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 grader | 8–12 år | 4–6 år | 1–2 år |
Levetidsverdiene er estimater basert på feltdata og laboratorietesting. Den faktiske levetiden vil variere med syrekjemien, den mekaniske belastningen og operasjonspraksisen.
Spesifikasjonsparametre for svovelsyreservice
Utstyrsingeniører som spesifiserer en PTFE-varmeveksler for svovelsyreservice bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Syrekonsentrasjon.Angi maksimal konsentrasjon og forventet område.
Oksiderende forurensninger.Spesifiser konsentrasjonen av salpetersyre, kromsyre, hydrogenperoksid eller andre oksiderende stoffer.
Driftstemperatur.Angi maksimal driftstemperatur og forventet temperaturprofil.
Varmebelastning og overflateareal.Spesifiser varmebelastningen og nødvendig overflate.
Varmefluks.Spesifiser maksimal tillatt varmefluks basert på veggtemperaturgrensen.
Rørveggtykkelse.Spesifiser rørets veggtykkelse basert på varmefluksen og tillatt veggtemperatur.
Rørmateriale.Spesifiser rørmaterialet basert på veggtemperaturen og nedbrytningshastigheten.
Krav til levetid.Spesifiser forventet levetid og utskiftingsplanen.
Temperaturovervåking.Spesifiser temperatursensorene og overvåkingsmetoden for sporing av veggtemperaturen.
Tilpasse veggtemperatur til levetidskrav
Maksimal tillatt veggtemperatur for PTFE-varmevekslerrør i svovelsyredrift avhenger av syrekonsentrasjonen, de oksiderende forurensningene og nødvendig levetid. Under terskelen på 180–200 grader er nedbrytningshastigheten langsom, og rørets levetid bestemmes av mekaniske faktorer. Over terskelen øker nedbrytningshastigheten eksponentielt, og rørets levetid avtar raskt med økende temperatur.
Veggtemperaturen bør velges basert på levetidskravet og den totale eierkostnaden. En lavere veggtemperatur krever et større overflateareal eller et rørmateriale med høyere ledningsevne, noe som øker kapitalkostnaden. Men den lavere veggtemperaturen forlenger rørets levetid og reduserer vedlikeholdskostnadene.
For svovelsyreserviceanlegg som evaluerer alternativer for PTFE-varmeveksler, bør veggtemperaturen spesifiseres i anskaffelsesdokumentene og verifiseres ved igangkjøring. Standardkonfigurasjonen gitt av produsenten kan være optimalisert for kompakthet i stedet for levetid, og den resulterende veggtemperaturen kan overstige nedbrytningsterskelen.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som vurderer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for svovelsyre eller annen korrosiv tjeneste, kan be om en designgjennomgang som dekker syrekonsentrasjon, oksiderende forurensninger, driftstemperatur, varmefluks, rørveggtykkelse og rørmateriale for å bekrefte at enheten er tilpasset de faktiske driftsforholdene og levetidskravene til anlegget.
Veggtemperaturen som bestemmer nedbrytningsmekanismen
En svovelsyreanodiseringslinje som opererer ved 20 grader med 15 % svovelsyre krever en varmeveksler for avkjøling. Rørveggtemperaturen er nær prosesstemperaturen fordi varmefluksen er lav og kjølevannet er bare noen få grader under prosessen. PTFE-røret opererer ved 20–25 grader, som er langt under temperaturen der en eventuell nedbrytningsmekanisme blir aktiv. Rørets levetid bestemmes av mekaniske faktorer, og levetiden er 15–20 år.
Et kjemisk prosessanlegg som konsentrerer svovelsyre ved 150 grader krever en varmeveksler for oppvarming. Rørveggens temperatur bestemmes av varmefluksen og den termiske motstanden til rørveggen. For en varmefluks på 2,0 W/cm² og en 0,8 mm vegg er veggtemperaturen ca. 215 grader. Ved denne temperaturen angriper svovelsyren PTFE med en målbar hastighet, og rørets levetid bestemmes av den kjemiske nedbrytningen i stedet for de mekaniske faktorene.
Veggtemperaturterskelen mellom disse to regimene er omtrent 180–200 grader for svovelsyretjeneste. Under denne terskelen er nedbrytningshastigheten langsom, og rørets levetid bestemmes av mekaniske faktorer. Over denne terskelen øker nedbrytningshastigheten raskt, og rørets levetid avtar med økende temperatur.
Den kjemiske nedbrytningsmekanismen over terskelen
Nedbrytningen av PTFE i varm svovelsyre skjer gjennom oksidasjon av de amorfe områdene av polymeren. Svovelsyren, spesielt ved høy konsentrasjon, er et sterkt oksidasjonsmiddel ved forhøyet temperatur. Syren angriper kjedeendene og defektstedene i de amorfe områdene, bryter polymerkjedene og skaper mindre fragmenter som løses opp eller blir ført bort av prosessvæsken.
Nedbrytningshastigheten øker eksponentielt med temperaturen. En temperaturøkning på 10 grader dobler omtrent nedbrytningshastigheten. Forskjellen mellom 180 grader og 220 grader er en faktor på 16 i nedbrytningshastigheten.
Nedbrytningen er ikke jevn over rørveggen. Angrepet starter ved overflaten og forplanter seg innover. Overflaten blir ru og porøs, og den mekaniske styrken avtar. Rørveggen tynnes over tid, og til slutt sprekker røret.
Effekten av syrekonsentrasjon
Nedbrytningshastigheten avhenger av svovelsyrekonsentrasjonen. Fortynnet svovelsyre (under 50 %) har et lavere oksidasjonspotensial enn konsentrert syre (over 90 %). Nedbrytningshastigheten i 50 % svovelsyre ved 200 grader er omtrent halvparten av hastigheten i 98 % svovelsyre ved samme temperatur.
Konsentrasjonseffekten er spesielt viktig ved svovelsyrekonsentrasjonstjeneste, hvor syrekonsentrasjonen øker etter hvert som vannet fordampes. Varmevekslerrørene i den konsentrerte enden av systemet ser en høyere syrekonsentrasjon og en høyere nedbrytningshastighet enn rørene i den fortynnede enden.
Effekten av oksiderende forurensninger
Nedbrytningshastigheten akselereres ved å oksidere forurensninger i svovelsyren. Salpetersyre, kromsyre og hydrogenperoksid er vanlige forurensninger som øker oksidasjonspotensialet til syren. Selv noen få prosent salpetersyre kan øke nedbrytningshastigheten med en faktor på to til tre.
Forurensningene påvirker også den maksimalt tillatte veggtemperaturen. I ren svovelsyre er terskelen omtrent 200 grader. I svovelsyre som inneholder 5 % salpetersyre, er terskelen omtrent 170 grader. I svovelsyre som inneholder 10 % salpetersyre, er terskelen omtrent 150 grader .
Kvantifisere den tillatte veggtemperaturen
Følgende tabell oppsummerer den maksimalt tillatte veggtemperaturen for ulike svovelsyrebruksforhold, basert på en nødvendig levetid på 10 år.
| Syrekonsentrasjon | Oksiderende forurensninger | Maksimal tillatt veggtemperatur | Nedbrytningsrate ved grense | Anbefalt rørveggtykkelse |
|---|---|---|---|---|
| 15% H2S04 | Ingen | 220 grader | 0,05 mm/år | 0,8 mm |
| 30% H2S04 | Ingen | 210 grader | 0,06 mm/år | 0,8 mm |
| 50% H2S04 | Ingen | 200 grader | 0,07 mm/år | 0,8 mm |
| 70% H2S04 | Ingen | 190 grader | 0,08 mm/år | 0,8 mm |
| 98% H2S04 | Ingen | 180 grader | 0,10 mm/år | 1,0 mm |
| 50% H2S04 | 5 % HNO3 | 170 grader | 0,10 mm/år | 1,0 mm |
| 50% H2S04 | 10 % HNO3 | 150 grader | 0,12 mm/år | 1,0 mm |
| 98% H2S04 | 5 % HNO3 | 150 grader | 0,15 mm/år | 1,2 mm |
De maksimalt tillatte veggtemperaturverdiene forutsetter en nødvendig levetid på 10 år og en minimum tillatt veggtykkelse på 0,3 mm. Nedbrytningsratene er basert på feltdata fra svovelsyreservice og laboratorietester.
Den mekaniske stressinteraksjonen
Maksimal tillatt veggtemperatur påvirkes av den mekaniske påkjenningen på røret. Kombinasjonen av termisk stress og trykkspenning reduserer den tillatte temperaturen fordi nedbrytningshastigheten øker med stress.
Den mekaniske påkjenningen har to effekter. For det første øker spenningen diffusjonshastigheten til syren inn i PTFE ved å åpne de amorfe områdene av polymeren. For det andre reduserer spenningen den mekaniske styrken til røret, noe som reduserer det tillatte veggtapet før brudd.
Spenningseffekten er spesielt viktig ved rør-til-rørplateskjøtene, der spenningskonsentrasjonen er høyest. Maksimal tillatt veggtemperatur ved skjøten er typisk 10–20 grader lavere enn i rørkroppen.
Designfunksjoner som reduserer veggtemperaturen
Flere designfunksjoner reduserer rørveggens temperatur for en gitt varmebelastning.
Større overflate.Et større overflateareal reduserer varmefluksen, noe som reduserer veggtemperaturen. En 50 % økning i overflateareal reduserer varmefluksen og veggtemperaturen med ca. 33 %.
Tynnere rørvegg.En tynnere vegg reduserer den termiske motstanden og veggtemperaturen for samme varmefluks. En 0,5 mm vegg har halvparten av termisk motstand av en 1,0 mm vegg.
Rørmateriale med høyere ledningsevne.En fylt PTFE-forbindelse med en termisk ledningsevne på 0,5 W/m·K har halvparten av veggens varmemotstand til virgin PTFE.
Høyere prosessstrømningshastighet.En høyere strømningshastighet øker prosess-sidefilmkoeffisienten og reduserer veggtemperaturen.
Høyere tjeneste-sidestrømningshastighet.En høyere damp- eller varmtvannshastighet øker service-sidefilmkoeffisienten og reduserer veggtemperaturen.
Overskrift for flytfordeling.En strømningsfordelingshode sikrer jevn strømning over rørbunten, noe som forhindrer lokaliserte varme flekker.
Sammenligning av rørmaterialer for høy-svovelsyreservice
Følgende tabell oppsummerer den maksimalt tillatte veggtemperaturen og levetiden for forskjellige PTFE-rørmaterialer i 98 % svovelsyredrift ved en varmestrøm på 1,5 W/cm².
| Rørmateriale | Termisk ledningsevne | Veggtemperatur på 1,5 W/cm² | Levetid ved 180 grader | Levetid ved 200 grader | Levetid ved 220 grader |
|---|---|---|---|---|---|
| Virgin PTFE | 0.25 W/m·K | 210 grader | 10–15 år | 5–8 år | 2–3 år |
| PTFE med høy-krystallinitet | 0.26 W/m·K | 205 grader | 12–18 år | 6–10 år | 3–4 år |
| Grafitt-fylt PTFE | 0.50 W/m·K | 165 grader | 15–20 år | 10–15 år | 5–8 år |
| Karbon-fylt PTFE | 0.65 W/m·K | 150 grader | 15–20 år | 12–18 år | 8–12 år |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 grader | 8–12 år | 4–6 år | 1–2 år |
Levetidsverdiene er estimater basert på feltdata og laboratorietesting. Den faktiske levetiden vil variere med syrekjemien, den mekaniske belastningen og operasjonspraksisen.
Spesifikasjonsparametre for svovelsyreservice
Utstyrsingeniører som spesifiserer en PTFE-varmeveksler for svovelsyreservice bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Syrekonsentrasjon.Angi maksimal konsentrasjon og forventet område.
Oksiderende forurensninger.Spesifiser konsentrasjonen av salpetersyre, kromsyre, hydrogenperoksid eller andre oksiderende stoffer.
Driftstemperatur.Angi maksimal driftstemperatur og forventet temperaturprofil.
Varmebelastning og overflateareal.Spesifiser varmebelastningen og nødvendig overflate.
Varmefluks.Spesifiser maksimal tillatt varmefluks basert på veggtemperaturgrensen.
Rørveggtykkelse.Spesifiser rørets veggtykkelse basert på varmefluksen og tillatt veggtemperatur.
Rørmateriale.Spesifiser rørmaterialet basert på veggtemperaturen og nedbrytningshastigheten.
Krav til levetid.Spesifiser forventet levetid og utskiftingsplanen.
Temperaturovervåking.Spesifiser temperatursensorene og overvåkingsmetoden for sporing av veggtemperaturen.
Tilpasse veggtemperatur til levetidskrav
Maksimal tillatt veggtemperatur for PTFE-varmevekslerrør i svovelsyredrift avhenger av syrekonsentrasjonen, de oksiderende forurensningene og nødvendig levetid. Under terskelen på 180–200 grader er nedbrytningshastigheten langsom, og rørets levetid bestemmes av mekaniske faktorer. Over terskelen øker nedbrytningshastigheten eksponentielt, og rørets levetid avtar raskt med økende temperatur.
Veggtemperaturen bør velges basert på levetidskravet og den totale eierkostnaden. En lavere veggtemperatur krever et større overflateareal eller et rørmateriale med høyere ledningsevne, noe som øker kapitalkostnaden. Men den lavere veggtemperaturen forlenger rørets levetid og reduserer vedlikeholdskostnadene.
For svovelsyreserviceanlegg som evaluerer alternativer for PTFE-varmeveksler, bør veggtemperaturen spesifiseres i anskaffelsesdokumentene og verifiseres ved igangkjøring. Standardkonfigurasjonen gitt av produsenten kan være optimalisert for kompakthet i stedet for levetid, og den resulterende veggtemperaturen kan overstige nedbrytningsterskelen.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som vurderer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for svovelsyre eller annen korrosiv tjeneste, kan be om en designgjennomgang som dekker syrekonsentrasjon, oksiderende forurensninger, driftstemperatur, varmefluks, rørveggtykkelse og rørmateriale for å bekrefte at enheten er tilpasset de faktiske driftsforholdene og levetidskravene til anlegget.
