תהליך הכלור-אלקלי, המייצר כלור וסודה קאוסטית, כולל כמה מהנוזלים המאכלים ביותר בכימיה התעשייתית-תמלחת מרוכזת חמה, גז כלור רטוב וקוסטית חזקה. מחליפי חום במפעלים אלה חייבים לעמוד בכפפה של תנאים אגרסיביים.מחליף חום PTFE תעשיית כלור אלקלייישומים הפכו חיוניים לטיפול בזרמים אלה בצורה מהימנה, שכן העמידות הכימית יוצאת הדופן של הפלואורופולימר מתגברת על רוב המתכות בשירותים אלה.
הסביבה המאכלת של כלור-צמחי אלקלי
שלושה זרמי תהליך ראשוניים שולטים בייצור -אלקלי כלור (באמצעות טכנולוגיות דיאפרגמה, כספית או תאי ממברנה):
מי מלח (תמיסת נתרן כלורי): רווי או כמעט רווי, בדרך כלל ב-60-90 מעלות, מכיל לרוב זיהומי סידן, מגנזיום וסולפט. תמיסת מלח חמה היא מאכלת מאוד לפלדת פחמן ולפלדות אל-חלד רבות, בשל כלוריד-שקורוזיה וקורוזיה של חריצים.
סודה קאוסטית (נתרן הידרוקסיד): מרוכז (32-50% NaOH) בטמפרטורות הנעות בין 80 מעלות בשפכי תאים ל-150 מעלות במהלך אידוי. קאוסטיקה חמה גורמת לסדיקת קורוזיה בפלדות אל-חלד אוסטניטיות ותוקף במהירות אלומיניום ואבץ.
גז כלור רטוב: כלור רווי באדי מים מחמצן ביותר. הוא יוצר חומצות הידרוכלוריות והיפוכלוריות שהורסות את רוב המתכות, כולל נירוסטה וטיטניום, תוך זמן קצר.
מחליפי חום חייבים גם להתמודד עם משקאות אנודיים (תמלחת מדולדלת), עיבוי כלור וזרמי מיחזור שונים. מחליפי חום מתכת קונבנציונליים נכשלים במהירות באחת או יותר מהסביבות הללו, מה שהופך את הפלואורופולימרים לחלופה אטרקטיבית.
יישומים מרכזיים של מחליפי חום PTFE במפעלי כלור-אלקליים
מחליפי חום מסוג PTFE (פוליטטראפלואורואתילן) משמשים במספר שירותים קריטיים שבהם עמידות בפני קורוזיה מקבלת עדיפות על פני יעילות תרמית. המוליכות התרמית הנמוכה של PTFE (≈0.25 W/m·K) מפוצה על ידי שטחי פנים גדולים (למשל, צרורות צינורות מרובי- או עיצובי סלילים) וביטול זמן השבתה שנגרם כתוצאה מתקלות במחליף מתכת.
מחממי מי מלח
יש לחמם תמלחת גולמית לטמפרטורת ההפעלה של התא (בדרך כלל 70-85 מעלות עבור תאי ממברנה) לפני האלקטרוליזה. סלילי טבילה של PTFE או מחליפי מעטפת-ו-צינורות ממוקמים ישירות במיכלי מלח או בלולאות מחזור. התמיסה רוויה לרוב בכלור ועשויה להכיל היפוכלוריט מזרמי החזרה של התא. PTFE מתנגד לכל המינים הללו ללא חריצים או קורוזיה.
בצמחי תאי ממברנה, טוהר המלח הוא קריטי כדי להימנע מהרעלת ממברנות חילופי היונים-. מחליפי PTFE אינם מכניסים יוני מתכת למלח, ומשמרים את חיי הממברנה. מחליפי מתכות (למשל, טיטניום) עדיין יכולים להרוס בנוכחות כלור חופשי או מתחת למשקעים, בעוד ש-PTFE נשאר אינרטי.
מצננים קאוסטיים
שפכי הקתוליטים מתאי אלקלי-כלור מכילים 32-35% NaOH ב-80-90 מעלות בערך. זה חייב להיות מקורר לפני אחסון או ריכוז נוסף. מחליפי חום של מעטפת PTFE-ו-משמשים עם מי קירור בצד המעטפת וקוסטי זורם דרך צינורות PTFE. הפלואורופולימר עמיד בפני קאוסט בטמפרטורות אלו ללא סיכון להתפרקות קאוסטית או פיצוח קורוזיה.
עבור קאוסטיקה בטמפרטורה גבוהה יותר (מעל 110 מעלות, כגון במעגלי מאייד), מחליפי PFA (פרפלואורו-אלקוקסי) או מתכות אקזוטיות כמו ניקל 200 מועדפים מכיוון ש-PTFE מתחיל להתרכך מעט מעל 120 מעלות, אם כי העמידות הכימית שלו נשארת ללא פגע. עם זאת, לטווח הטיפוסי של 80-90 מעלות, PTFE מתאים לחלוטין.
מצנני גז רטובים של כלור
הכלור היוצא מהתא חם (80-95 מעלות) ורווי באדי מים. קירור זה מעבה חלק גדול מהמים ומפחית קורוזיה במורד הזרם. נעשה שימוש במחליף צינורות PTFE-ו-קונכיות, כאשר גז כלור רטוב עובר דרך צינורות PTFE ומי קירור סביבם. משטח ה-PTFE אינו מגיב עם כלור רטוב או עם חומצות הידרוכלוריות והיפוכלוריות שנוצרות בעת עיבוי.
מקררי מתכת לשירות כלור רטוב דורשים סגסוגות יקרות (למשל, טנטלום, Hastelloy C-22) ועדיין יש להם חיים מוגבלים. מחליפי PTFE, למרות שהם גדולים יותר לאותה חובה, פועלים במשך שנים ללא קורוזיה. הם משמשים גם כמעבי כלור לאחר מגדל הייבוש, שם הגז יבש הרבה יותר אך עדיין אגרסיבי.
מחמם/מצנן לדה-כלור מלח
מי מלח (אנוליט) מדולדל היוצא מהתא מכיל כלור מומס. לפני מיחזור התמלחת ורוויה מחדש-, יש להסיר כלור (דה-כלור) באמצעות ואקום או הפשטת אוויר. התמלחת מחוממת לעתים קרובות ל-85-95 מעלות צלזיוס כדי לסייע בדה-כלור. מחליפי PTFE משמשים להחזרת חום מהמימלח היוצא ללא כלור, תוך חימום מראש של תמלחת טרייה נכנסת. לולאת חילופי חום זו מטפלת בנוזלים מאכלים ועשויים להכיל שאריות כלור, מה שהופך את PTFE לבחירה המעשית.
נטרול זרם פסולת
פסולת חומצית או אלקלית ממפעלי כלור-מנוטרלים לפני הפריקה. מחליפי חום PTFE משמשים לעתים להשבת חום מתגובות הניטרול הללו או לקירור השפכים המנוטרלים. טווח ה-pH הרחב (מחומצי מאוד לבסיסי מאוד) אינו משפיע על PTFE.
מדוע PTFE מועדף על פני מתכות עבור שירותים אלה
| נוזל תהליך | בעיות מחליף מתכות | יתרון PTFE |
|---|---|---|
| מי מלח רווי חם (עם Cl₂, OCl⁻) | טיטניום יכול להרוס בנוכחות כלור חופשי; בור נירוסטה; סגסוגות ניקל יקרות | PTFE אינרטי לכל רכיבי המלח; אין שטיפת יוני מתכת |
| סודה קאוסטית חמה (32-50%, 80-90 מעלות) | פיצוח קורוזיה במתח נירוסטה; סגסוגות ניקל יקרות | PTFE מתנגד לקוסטיקה; ללא מנגנון פיצוח |
| גז כלור רטוב | רק טנטלום או סגסוגות מיוחדות שורדות; עלות גבוהה וזמן אספקה | PTFE עמיד לחלוטין; עלות הון נמוכה יותר (אם כי גודל גדול יותר) |
| חומצות/אלקליות מעורבות בזרמי פסולת | קורוזיה מהירה עקב תנודות pH | PTFE אינו מושפע מכל pH |
החומר הנבחר עבור שירותים רבים במפעלי כלור-אלקלי הוא PTFE כאשר טמפרטורת הפעולה אינה עולה על כ-110 מעלות. מעל זה, נשקלות חלופות PFA או מתכת, אך רוב חובות חילופי החום בטיפול בתמיסת מלח, בית תא וטיפול בכלור נופלים בטווח הטמפרטורות של PTFE.
שיקולי עיצוב עבור מחליפי PTFE בשירות כלור-Alkali
מגבלות טמפרטורה
ל-PTFE יש מגבלת שימוש מתמשכת של כ-260 מעלות ביישומים לא-נושאים-עומס, אך עבור מחליפי חום שבהם הפולימר נמצא בלחץ פנימי מאמצעי חימום/קירור, המגבלות המעשיות נמוכות יותר. עבור יישומי כלור-אלקלי, מחליפי PTFE מצוינים בדרך כלל עבור נוזלים מתחת ל-110 מעלות. עבור מאיידים קאוסטיים הפועלים מעל 120 מעלות, נעשה שימוש ב-PFA (נקודת התכה 305 מעלות) או במחליפי אלסטומר-פרפלואורינים.
דירוגי לחץ
צינורות PTFE אינם מבניים. הם נתמכים על ידי יריעות צינור או עטופים סביב מסגרת. לחצים בצד- של מעטפת מוגבלים ל-3-5 בר (מד) בהתאם לעיצוב. לחצים בצד- של הצינור עבור מדיה פנימית (קיטור, מים, גליקול) מתונים אף הם. עבור יישומי לחץ גבוה-, נעשה שימוש במחלפי מתכת עם בטנות PTFE במקום יחידות PTFE מוצקות.
חימום בקיטור
כאשר משתמשים בקיטור כמדיום חימום לתמלחת או קאוסטית, מומלץ-קיטור בלחץ נמוך (בדרך כלל 1-2 בר, המתאים ל-120-130 מעלות) כדי למנוע התחממות יתר של משטח ה-PTFE בממשק צינור הקיטור-. אם נדרשים לחצי קיטור גבוהים יותר, משתמשים במחליף PFA או במחליף חום-ל-קיטור עם מחליף משני PTFE.
עיקול וניקוי
משטח הבלתי מקל של PTFE- ממזער הידבקות אבנית ממלחי מלח או קאוסטיים. אם מתרחשת אבנית, ניתן לנקות את המחליף בחומצה הידרוכלורית מדוללת (עבור קשקשים קרבונטים) או על ידי ערבול מכני מבלי לפגוע בצינורות. שטיפת אדים או מים חמים יעילה אף היא. שלא כמו מחליפי מתכת, ניקוי כימי אינו שואב את משטח ה-PTFE.
יישומי מחליף PTFE טיפוסיים במפעל אלקלי-כלור - טבלת סיכום
| בַּקָשָׁה | נוזל תהליך | טווח טמפרטורה | אמצעי חימום/קירור | סוג מחליף PTFE |
|---|---|---|---|---|
| מחמם מלח | מי מלח NaCl רווי, עשוי להכיל Cl₂ | 25 מעלות → 75-85 מעלות | קיטור בלחץ- נמוך או מים חמים | סליל טבילה או מעטפת-ו-צינור |
| מצנן קאוסטי | 32-50% NaOH | 85 מעלות → 40 מעלות | מים מקררים | מעטפת-ו-צינור (קוסטי בצינורות) |
| מצנן כלור רטוב | גז Cl₂ רווי H₂O | 80 מעלות → 25-30 מעלות | מים מקררים | מעטפת-ו-צינור (גז בצינורות) |
| מחמם דה-כלור מלח | מי מלח מדולדל עם שארית Cl₂ | 65 מעלות → 85 מעלות | מים חמים או אדים | סליל טבילה |
| מצנן אנוליט | אנוליט (מלח מדולדל + Cl₂) | 85 מעלות → 50 מעלות | מים מקררים | מעטפת-ו-צינור |
| מצנן לנטרול פסולת | שפכים חומציים או אלקליים | משתנה → 30 מעלות | מים מקררים | סליל טבילה או מעטפת-ו-צינור |
מגבלות וחלופות
בעוד ש-PTFE עמיד ביותר, זה לא פתרון אוניברסלי. עבור התנאים הבאים, מומלץ חומרים חלופיים:
קאוסטית מעל 110 מעלות: PFA או ניקל 200 (עבור 50% NaOH ב-150 מעלות). PTFE מתרכך ועלול לזחול תחת לחץ.
High-pressure steam (>5 בר): מחליפי מתכת עם בטנות פלואורפולימר או צינורות PFA עם תמיכת מתכת.
חומצה חוזרת של מגדל ייבוש כלור (93-98% H₂SO₄): חומצה גופרתית בריכוז גבוה- בטמפרטורות מתונות מקובלת עבור PTFE, אבל מפעלים רבים משתמשים מפלדת אל חלד או פלדה מרופדת- בטפלון.
כלור נוזלי (נטול מים): PTFE תואם, אך בדרך כלל משתמשים בפלדת פחמן מכיוון שכלור נוזלי אינו מאכל בהיעדר מים.
מַסְקָנָה
מחליפי חום PTFE הם סוס עבודה בתעשיית הכלור-אלקלי לשירותי טמפרטורה קורוזיבית, מתונה-. הם מטפלים בצורה מהימנה בתמיסת מלח חמה, גז כלור רטוב וסודה קאוסטית בטמפרטורות של עד 110 מעלות, שבהן מתכות סובלות מגורים, סדקים או קורוזיה כללית מהירה. האופי הבלתי-אינרטי מבחינה כימית של PTFE גם ממזער זיהומים ומפשט את הניקוי. היישומים כוללים מחממי מי מלח, מצננים קאוסטיים, מצנני גז כלור ומחממי דה-כלור. בעוד שהמוליכות התרמית הנמוכה של PTFE דורשת שטחי העברת חום גדולים יותר, הפחתה בתחזוקה והשבתה בהחלפה מפצה יותר. ביצועי חומר מוכחים עומדים בבסיס ייצור כימיקלים אמין, וכןמחליף חום PTFE תעשיית כלור אלקליהיישומים ממשיכים להתרחב כאשר מפעילי המפעלים מחפשים פתרונות-לטווח ארוך ללא קורוזיה-.
