הכימיה שתוקפת טיטניום
טיטניום מתנגד לנתרן היפוכלוריט באמצעות יצירת סרט תחמוצת פסיבי שיציב בתמיסות ניטרליות ואלקליות. הסרט הוא הסיבה שהטיטניום מתפקד היטב בשירות אקונומיקה בטמפרטורה וריכוז מתונים. הסרט מתפרק כאשר הטמפרטורה עולה מעל 70 מעלות, כאשר הריכוז עולה מעל 15%, או כאשר ה-pH יורד מתחת ל-9.
שיעור הקורוזיה של טיטניום בשירות היפוכלוריט ב-60 מעלות ו-12% היפוכלוריט הוא בדרך כלל פחות מ-0.05 מ"מ בשנה. ב-80 מעלות ו-15% היפוכלוריט, הקצב עולה ל-0.3-0.8 מ"מ בשנה. ב-90 מעלות ו-15% היפוכלוריט, הקצב יכול לעלות על 1.5 מ"מ בשנה.
הקורוזיה מתחילה בדרך כלל בקצוות הצינור שבהם מהירות הזרימה נמוכה והטמפרטורה גבוהה, ובחיבורי הצינור-ל-הצינורות שבהם גיאומטריית החריצים מרכזת את המינים המאכלים. הקורוזיה מתבטאת בבור, החודר לדופן הצינור וגורם לדליפה.
הכימיה שתוקפת PTFE
PTFE עמיד בפני נתרן היפוכלוריט בכל הריכוזים והטמפרטורות בטווח השירות שלו. קשרי הפחמן- הפלואור אינם מותקפים על ידי ההיפוכלוריט או הסודה הקאוסטית שמייצבת את האקונומיקה. החומר אינו משחית, וחיי השירות נקבעים על ידי גורמים מכניים ולא על ידי התקפה כימית.
מנגנון הפירוק היחיד של PTFE בשירות היפוכלוריט הוא דיפוזיה של ההיפוכלוריט והקאוסטיק לאזורים האמורפיים של הפולימר. הדיפוזיה איטית, וההשפעה על התכונות המכניות צנועה. חיי השירות של מחליף חום PTFE בשירות היפוכלוריט הם בדרך כלל 12-18 שנים.
פער המוליכות התרמית
המוליכות התרמית של טיטניום היא כ-22 W/m·K, בהשוואה ל-0.25 W/m·K עבור PTFE. היחס הוא בערך 88:1.
עבור מחליף חום המספק 40 קילוואט ב-12% היפוכלוריט ב-60 מעלות, יחידת טיטניום דורשת שטח פנים של כ-3 מ"ר, בהתבסס על מקדם העברת חום כולל של 800 W/m²·K והפרש טמפרטורה ממוצע של 17 מעלות. יחידת PTFE לאותה חובה דורשת כ-12 מ"ר של שטח פנים, בהתבסס על מקדם כולל של 200 W/m·K ואותו הפרש טמפרטורה.
יחידת ה-PTFE גדולה פי 4 מיחידת הטיטניום. הגודל הגדול יותר מגדיל את עלות ההון, את שטח הרצפה ואת נפח הנוזל. שטף החום הנמוך יותר מפחית את טמפרטורת דופן הצינור, מה שמועיל לתהליך, אך שטח הפנים הגדול יותר מספק גם יותר משטח למשקעים ודורש יותר זמן לניקוי.
בעיית הפירוק בטמפרטורה מוגברת
נתרן היפוכלוריט מתפרק בקצב שעולה עם הטמפרטורה. ב-60 מעלות, קצב הפירוק הוא כ-2% ליום. ב-70 מעלות, השיעור הוא כ-5% ליום. ב-80 מעלות, השיעור הוא כ-10% ליום. הפירוק יוצר גז כלור וחומצה הידרוכלורית, שהם מאכלים לשני החומרים.
קצב הפירוק מגביל את טמפרטורת הפעולה המעשית עבור טיטניום ו-PTFE כאחד. בטמפרטורות מעל 70 מעלות, קצב הפירוק גבוה מספיק כדי שריכוז ההיפוכלוריט חייב להתחדש ברציפות, ולשחרר את גז הכלור. בחירת החומר חייבת לקחת בחשבון את גז הכלור ואת תוצרי הפירוק.
טיטניום רגיש במיוחד לחומצה הידרוכלורית שנוצרת מהפירוק. החומצה מורידה את ה-pH ומאיצה את קורוזית הטיטניום. PTFE עמיד לחומצה הידרוכלורית ולגז הכלור, כך שהפירוק אינו משפיע על חיי השירות של PTFE.
השוואה בין שני החומרים בשירות הלבנת היפוכלוריט
הטבלה הבאה מסכמת את מאפייני הביצועים והעלות של מחליפי חום PTFE וטיטניום בשירות הלבנת היפוכלוריט ב-60 מעלות עם 12% נתרן היפוכלוריט.
| מְאַפיֵן | מחליף חום טיטניום | מחליף חום PTFE | יִתרוֹן |
|---|---|---|---|
| מוליכות תרמית | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | טִיטָן |
| מקדם העברת חום כולל | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | טִיטָן |
| שטח פנים נדרש עבור 40 קילוואט | 3 m² | 12 m² | טִיטָן |
| עמידות כימית ל-12% היפוכלוריט ב-60 מעלות | מְעוּלֶה | מְעוּלֶה | לְהִשְׁתַווֹת |
| עמידות כימית ל-15% היפוכלוריט ב-80 מעלות | יָרוּד | מְעוּלֶה | PTFE |
| עמידות כימית לגז כלור | לְמַתֵן | מְעוּלֶה | PTFE |
| טמפרטורת פעולה מקסימלית | 70 מעלות (מעשי) | 260 מעלות | PTFE |
| חוזק מכני | גָבוֹהַ | לְמַתֵן | טִיטָן |
| עמידות בפני זעזועים תרמיים | לְמַתֵן | גָבוֹהַ | PTFE |
| יכולת תיקון | מוּגבָּל | טוֹב | PTFE |
| חיי שירות בשירות היפוכלוריט | 5-8 שנים | 12-18 שנים | PTFE |
| עלות הונית עבור חובה של 40 קילוואט | $32,000 | $34,000 | טִיטָן |
| עלות התקנה | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| עלות תחזוקה שנתית | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| עלות כוללת של חמש- שנים | $76,000 | $55,500 | PTFE |
ערכי העלות הכוללת של חמש- השנים מניחים ערך ייצור של $600 לשעה וכוללים את עלות ההון, עלות ההתקנה ועלות התחזוקה לאורך חמש שנים.
כאשר טיטניום הוא הבחירה הטובה יותר
טיטניום הוא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות-בטמפרטורה נמוכה.בטמפרטורות מתחת ל-50 מעלות, טיטניום מתנגד להיפוכלוריט ללא קושי, והמוליכות התרמית הגבוהה מפחיתה את שטח הפנים הנדרש ואת עלות ההון.
שירות-בריכוז נמוך.בריכוזים מתחת ל-10%, טיטניום מתנגד להיפוכלוריט בטמפרטורות של עד 60 מעלות, והמוליכות התרמית הגבוהה יותר מפחיתה את שטח הפנים הנדרש.
התקנות מוגבלות-במקום.כאשר השטח הפנוי מוגבל מאוד, יחידת הטיטניום הקטנה יותר עשויה להיות האפשרות האפשרית היחידה. יחידת ה-PTFE תדרוש פי 4 משטח הפנים, שאולי לא יתאים לשטח הפנוי.
שירות-בלחץ גבוה.לטיטניום חוזק מכני גבוה יותר מ-PTFE והוא יכול לעמוד בלחצים גבוהים יותר. עבור שירות היפוכלוריט בלחצים מעל 10 בר, טיטניום עשוי להיות האפשרות הקיימא היחידה.
כאשר PTFE הוא הבחירה הטובה יותר
PTFE הוא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות-בטמפרטורה גבוהה.בטמפרטורות מעל 60 מעלות, PTFE מתנגד למוצרי הפירוק טוב יותר מטיטניום, וחיי השירות ארוכים יותר.
שירות-בריכוז גבוה.בריכוזים מעל 12%, PTFE מתנגד להיפוכלוריט ולחומר המאכל טוב יותר מטיטניום.
חשיפה לגזי כלור.אם הפירוק מייצר גז כלור, PTFE מתנגד לגז טוב יותר מטיטניום.
שירות רכיבה על אופניים תרמי.ל-PTFE עמידות בפני זעזועים תרמיים גבוהים יותר מטיטניום, מה שהופך אותו מתאים לשירות עם שינויי טמפרטורה תכופים.
דרישת חיי שירות ארוכים.כאשר מחליף החום צפוי להיות בעל חיי שירות של 10 שנים או יותר, PTFE הוא הבחירה הטובה יותר מכיוון שהוא מתנגד להתקפה הכימית לאורך תקופה ארוכה יותר.
תכונות עיצוב שמאריכות את חיי השירות
מספר מאפייני עיצוב מאריכים את חיי השירות של מחליפי חום PTFE וגם של טיטניום בשירות הלבנת היפוכלוריט.
טמפרטורת עבודה נמוכה יותר.הפחתת טמפרטורת ההפעלה מ-70 מעלות ל-50 מעלות מפחיתה את קצב הפירוק ואת ההתקפה הכימית על חומר מחליף החום.
ריכוז נמוך יותר.הפחתת ריכוז ההיפוכלוריט מ-15% ל-10% מפחיתה את ההתקפה הכימית ואת קצב הפירוק.
בקרת pH.שמירה על pH מעל 10 מפחיתה את קורוזיה של טיטניום ואת פירוק ההיפוכלוריט.
בקרת מהירות זרימה.שמירה על מהירות זרימה מתונה מפחיתה את עובי שכבת הגבול ואת ריכוז תוצרי הפירוק על פני הצינור.
במקום הוראות ניקוי-.חיבורים לאספקה והחזרת תמיסת ניקוי מאפשרים לנקות את מחליף החום ללא פירוק, מה שמפחית את זמן ההשבתה ואת אובדן הייצור.
פרמטרי מפרט עבור שירות הלבנת היפוכלוריט
מהנדסי ציוד המעריכים מחליפי חום PTFE וטיטניום עבור שירות הלבנת היפוכלוריט צריכים לאשר את הפרמטרים הבאים עם הספק.
ריכוז היפוכלוריט.ציין את הריכוז המרבי ואת הטווח הצפוי.
טמפרטורת הפעלה.ציין את טמפרטורת הפעולה המקסימלית ואת פרופיל הטמפרטורה הצפויה.
pH.ציין את טווח ה-pH ואת שיטת הבקרה.
לחץ הפעלה.ציין את לחץ הפעולה המקסימלי.
עומס חום ושטח פנים.ציין את עומס החום ואת שטח הפנים הנדרש עבור כל אפשרות חומר.
קצב פירוק.ציין את קצב הפירוק הצפוי ואת קצב ייצור גז הכלור.
אילוצי מקום.ציין את השטח הפנוי ואת טביעת הרגל המקסימלית המותרת.
דרישת חיי שירות.ציין את חיי השירות הצפויים ואת לוח הזמנים להחלפה.
התאמת בחירת החומר לתנאי השירות של היפוכלוריט
הבחירה בין מחליפי חום PTFE וטיטניום בשירות הלבנת היפוכלוריט תלויה בטמפרטורה, בריכוז, ב-pH ובדרישת חיי השירות. לטיטניום מוליכות תרמית גבוהה יותר ודורש פחות שטח פנים, אך הוא רגיש לקורוזיה בטמפרטורה גבוהה ובריכוז גבוה. ל-PTFE מוליכות תרמית נמוכה יותר ודורש שטח פנים גדול יותר, אך הוא עמיד בפני היפוכלוריט בכל הריכוזים והטמפרטורות.
החלטת הבחירה צריכה להתבסס על ניתוח- ספציפי למתקן המשלב את עלות ההון, עלות התחזוקה והחשיפה לאובדן ייצור. מודל גיליון אלקטרוני פשוט עם רכיבי עלות אלו מספק את המידע הדרוש לקבלת ההחלטה.
עבור מתקני שירות אקונומיקה היפוכלוריט המעריכים אפשרויות מחליף חום, בחירת החומר צריכה להתבסס על העלות הכוללת של הבעלות לאורך חיי השירות הצפוי, לא רק על עלות ההון או על הביצועים התרמיים. יחידת טיטניום עם עלות הון נמוכה יותר עשויה להיות בעלת עלות חיים גבוהה יותר אם היא דורשת החלפה תכופה.
מהנדסי ציוד ומומחי רכש המעריכים מפרטי מחליפי חום PTFE עבור אקונומיקה היפוכלוריט או שירות חמצון אחר יכולים לבקש סקירת תכנון המכסה ריכוז היפוכלוריט, טמפרטורת הפעלה, pH, לחץ תפעול ודרישות חיי שירות כדי לוודא שבחירת החומר מותאמת לתנאי השירות בפועל ולמבנה העלויות של המתקן.
