קומפוזיציות החומצות המעורבות שמגדירות את הגבולות
מערכות לשחזור חומצה מעורבות מטפלות במספר שילובי חומצה שונים, ובחירת החומרים תלויה באיזה שילוב קיים.
תערובות הידרופלואוריות-חנקניות.אלה משמשים לכבישה מנירוסטה ותחריט טיטניום. החומצה החנקתית מספקת את פוטנציאל החמצון, והחומצה ההידרופלואורית מספקת את פעילות הפלואוריד. התערובת אגרסיבית לרוב המתכות ולקרמיקות רבות. PTFE מתנגד לתערובת בכל הריכוזים והטמפרטורות בטווח שלה. סיליקון קרביד מתנגד לתערובת בטמפרטורות של עד 80 מעלות, אך הפלואור תוקף את הסיליקון קרביד בטמפרטורות גבוהות יותר.
תערובות גפריתיות-הידרופלואוריות.אלה משמשים לתחריט אלומיניום ותחריט זכוכית. החומצה הגופרתית מספקת את חוזק החומצה, והחומצה ההידרופלואורית מספקת את פעילות הפלואוריד. PTFE עמיד לתערובת בכל הריכוזים והטמפרטורות. סיליקון קרביד מתנגד לתערובת בטמפרטורות של עד 60 מעלות, אך הפלואור תוקף את הסיליקון קרביד בטמפרטורות גבוהות יותר.
תערובות חנקניות-גופרית.אלה משמשים לכבישת מתכת ופסיבציה. התערובת מתחמצנת מאוד, ופוטנציאל החמצון עולה עם ריכוז החומצה החנקתית. PTFE עמיד לתערובת בכל הריכוזים והטמפרטורות. סיליקון קרביד מתנגד לתערובת בטמפרטורות של עד 100 מעלות, אך פוטנציאל החמצון יכול לתקוף את שלב גבול הדגן בסיליקון קרביד.
פער המוליכות התרמית
לסיליקון קרביד מוליכות תרמית של כ-120 W/m·K, בהשוואה ל-0.25 W/m·K עבור PTFE. היחס הוא בערך 480:1.
עבור מחליף חום המספק 60 קילוואט במערכת התאוששות חומצה מעורבת ב-70 מעלות, יחידת סיליקון קרביד דורשת שטח פנים של כ-3 מ"ר, בהתבסס על מקדם העברת חום כולל של 1,000 W/m²·K והפרש טמפרטורה ממוצע של 20 מעלות. יחידת PTFE לאותה חובה דורשת כ-15 מ"ר של שטח פנים, בהתבסס על מקדם כולל של 200 W/m·K ואותו הפרש טמפרטורה.
יחידת ה-PTFE גדולה פי 5 מיחידת הסיליקון קרביד. 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.
מתקפת הפלואוריד על קרמיקה
הפלואור במערכות שחזור חומצה מעורבת תוקף קרמיקה באמצעות מנגנון השונה מהתקפה על מתכות. הפלואוריד מגיב עם דו תחמוצת הסיליקון או האלומינה בקרמיקה, ויוצרים תרכובות פלואוריד מסיסות הממיסות את הקרמיקה. קצב התקיפה תלוי בריכוז הפלואוריד, בטמפרטורה ובהרכב הקרמי הספציפי.
לסיליקון קרביד יש עמידות לפלואוריד טובה יותר מקרמיקה המבוססת על אלומינה-, מכיוון שגרגרי הסיליקון קרביד קשורים עם סיליקון ניטריד או מטריצת סיליקון קרביד שעמידה יותר בפני פלואוריד. עם זאת, שלב גבול התבואה יכול להיות מותקף על ידי פלואוריד בטמפרטורה גבוהה, וההתקפה מחלישה את הקרמיקה ובסופו של דבר גורמת לכשל.
PTFE עמיד בפני פלואוריד בכל הריכוזים והטמפרטורות בטווח השירות שלו. קשרי הפחמן- הפלואור אינם מותקפים על ידי פלואוריד, ומבנה הפולימר אינו מתכלה על ידי הסביבה הכימית. זוהי הסיבה העיקרית לכך ש-PTFE מצוין עבור מערכות שחזור חומצה מעורבת עם ריכוזי פלואוריד גבוהים.
השוואה בין שני החומרים בשחזור חומצה מעורבת
הטבלה הבאה מסכמת את מאפייני הביצועים והעלות של מחליפי חום PTFE וסיליקון קרביד בשירות שחזור חומצה מעורבת ב-70 מעלות עם 10% חומצה חנקתית ו-3% חומצה הידרופלואורית.
| מְאַפיֵן | מחליף חום סיליקון קרביד | מחליף חום PTFE | יִתרוֹן |
|---|---|---|---|
| מוליכות תרמית | 120 W/m·K | 0.25 W/m·K | סיליקון קרביד |
| מקדם העברת חום כולל | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | סיליקון קרביד |
| שטח פנים נדרש עבור 60 קילוואט | 3 m² | 15 m² | סיליקון קרביד |
| עמידות כימית לתערובת חנקתית-הידרופלואורית | טוב ב-70 מעלות | מְעוּלֶה | PTFE |
| עמידות כימית לפלואוריד | לְמַתֵן | מְעוּלֶה | PTFE |
| טמפרטורת פעולה מקסימלית | 80 מעלות (עם פלואוריד) | 260 מעלות | PTFE |
| חוזק מכני | גָבוֹהַ | לְמַתֵן | סיליקון קרביד |
| עמידות בפני זעזועים תרמיים | נָמוּך | גָבוֹהַ | PTFE |
| עמידות מכנית לפגיעה | נָמוּך | גָבוֹהַ | PTFE |
| יכולת תיקון | מוּגבָּל | טוֹב | PTFE |
| חיי שירות בשירות חומצה מעורבת | 4-6 שנים | 10-15 שנים | PTFE |
| עלות הונית למס 60 קילוואט | $48,000 | $42,000 | PTFE |
| עלות התקנה | $6,000 | $4,000 | PTFE |
| עלות תחזוקה שנתית | $5,000 | $2,000 | PTFE |
| עלות כוללת של חמש- שנים | $109,000 | $72,000 | 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 קרמיקה היא הבחירה הטובה יותר
קרמיקה היא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות פלואוריד נמוך-.כאשר ריכוז הפלואוריד נמוך מ-1%, שיעור התקפת הפלואור הקרמי נמוך, וחיי השירות מתארכים. במקרה זה, המוליכות התרמית הגבוהה יותר של סיליקון קרביד מפחיתה את שטח הפנים הנדרש ואת עלות ההון.
התקנות מוגבלות-במקום.כאשר השטח הפנוי מוגבל מאוד, יחידת הסיליקון קרביד הקטנה יותר עשויה להיות האפשרות הישימה היחידה. יחידת ה-PTFE תדרוש פי 5 משטח הפנים, שאולי לא יתאים לשטח הפנוי.
שירות-בטמפרטורה גבוהה ללא פלואוריד.כאשר החומצה המעורבת אינה מכילה פלואוריד והטמפרטורה היא מעל 100 מעלות, סיליקון קרביד שומר על החוזק המכני והעמידות הכימית שלו, בעוד PTFE מתרכך ומאבד חוזק מעל 200 מעלות.
שירות-טוהר גבוה.סיליקון קרביד אינו שוטף תרכובות אורגניות לנוזל התהליך, מה שהופך אותו למתאים ליישומים ברמת טוהר- גבוהה שבהם השטיפה האורגנית מ-PTFE היא דאגה.
שירות שוחק.לסיליקון קרביד יש קשיות ועמידות בפני שחיקה גבוהים יותר מאשר PTFE, מה שהופך אותו מתאים לשירות עם מוצקים מרחפים שעלולים לשחוק את משטח מחליף החום.
כאשר PTFE הוא הבחירה הטובה יותר
PTFE הוא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות-פלואוריד גבוה.PTFE עמיד בפני פלואוריד בכל הריכוזים, בעוד שסיליקון קרביד מותקף על ידי פלואוריד בטמפרטורה גבוהה.
שירות רכיבה על אופניים תרמי.ל-PTFE עמידות בפני זעזועים תרמיים גבוהים יותר מסיליקון קרביד, מה שהופך אותו למתאים לשירות עם שינויי טמפרטורה תכופים.
שירות השפעה מכנית.PTFE עמיד יותר בפני פגיעות מכניות מאשר סיליקון קרביד, מה שהופך אותו למתאים למתקנים שבהם מחליף החום עשוי להיות נתון לרטט או טיפול.
שירות בר תיקון.מחליפי חום PTFE ניתנים לתיקון באתר על ידי טכנאי מוסמך, מה שמפחית את זמן ההשבתה ואת אובדן הייצור.
שירות עומס חום גדול.עבור עומסי חום גדולים, עלות ההון הנמוכה יותר של PTFE הופכת משמעותית יותר, ושטח הפנים הגדול יותר מהווה אילוץ פחות.
תכונות עיצוב שמאריכות את חיי השירות
מספר מאפייני עיצוב מאריכים את חיי השירות של מחליפי חום PTFE וגם של מחליפי חום קרמיים בשירות שחזור חומצה מעורבת.
טמפרטורת הפעלה נמוכה יותר.הפחתת טמפרטורת ההפעלה מפחיתה את מתקפת הפלואוריד על הקרמיקה ואת דיפוזיה של החומצה לתוך ה-PTFE.
ריכוז פלואוריד נמוך יותר.הפחתת ריכוז הפלואוריד מפחיתה את ההתקפה על הקרמיקה. יש לנטר את ריכוז הפלואור ברציפות ולשמור מתחת לסף של החומר הקרמי הספציפי.
בקרת מהירות זרימה.שמירה על מהירות זרימה מתונה מפחיתה את עובי שכבת הגבול ואת ריכוז הפלואור 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.
ניטור טמפרטורה.חיישני טמפרטורה בכניסה וביציאה של מחליף החום מאפשרים ניטור של ביצועי העברת החום, מה שמאפשר זיהוי מוקדם של עכירות או השפלה.
פרמטרי מפרט לשחזור חומצה מעורבת
מהנדסי ציוד המעריכים מחליפי חום PTFE ומחליפי חום קרמיים להתאוששות חומצה מעורבת צריכים לאשר את הפרמטרים הבאים עם הספק.
הרכב חומצה מעורב.ציין את הריכוזים של חומצה חנקתית, חומצה גופרתית, חומצה הידרופלואורית וכל רכיב אחר.
טמפרטורת הפעלה.ציין את טמפרטורת הפעולה המקסימלית ואת פרופיל הטמפרטורה הצפויה.
ריכוז פלואוריד.ציין את ריכוז הפלואור המקסימלי ואת שיטת הניטור.
מוצקים מרחפים.ציין את הריכוז וגודל החלקיקים של כל המוצקים המרחפים בחומצה.
עומס חום ושטח פנים.ציין את עומס החום ואת שטח הפנים הנדרש עבור כל אפשרות חומר.
אילוצי מקום.ציין את השטח הפנוי ואת טביעת הרגל המקסימלית המותרת.
יכולת תחזוקה.ציין את יכולת התחזוקה של המתקן, כולל היכולת לתקן את מחליף החום במקום.
דרישת חיי שירות.ציין את חיי השירות הצפוי ואת לוח הזמנים להחלפה.
התאמת בחירת החומר לתנאי השירות של חומצה מעורבת
הבחירה בין PTFE לבין מחליפי חום קרמיים בהתאוששות חומצה מעורבת תלויה בריכוז הפלואוריד, בטמפרטורה, באילוצי החלל ובדרישת חיי השירות. לקרמיקה מוליכות תרמית גבוהה יותר ודורשת פחות שטח פנים, אך היא רגישה להתקפת פלואוריד ולהלם תרמי. ל-PTFE מוליכות תרמית נמוכה יותר ודורש שטח פנים גדול יותר, אך הוא עמיד בפני פלואוריד והלם תרמי.
החלטת הבחירה צריכה להתבסס על ניתוח ספציפי למתקן-שמשלב את עלות ההון, עלות ההתקנה, עלות התחזוקה והחשיפה לאובדן ייצור. מודל גיליון אלקטרוני פשוט עם רכיבי עלות אלו מספק את המידע הדרוש לקבלת ההחלטה.
עבור מתקני שחזור חומצה מעורבת המעריכים אפשרויות של מחליפי חום, בחירת החומר צריכה להתבסס על העלות הכוללת של הבעלות לאורך חיי השירות הצפוי, ולא רק על הביצועים התרמיים או על עלות ההון. ליחידה קרמית עם מוליכות תרמית גבוהה יותר עלות חיים גבוהה יותר אם ריכוז הפלואוריד גבוה והיחידה דורשת החלפה תכופה.
מהנדסי ציוד ומומחי רכש המעריכים מפרטי מחליפי חום של PTFE עבור שחזור חומצה מעורבת או שירות מאכל אחר יכולים לבקש סקירת תכנון המכסה הרכב חומצה מעורבת, טמפרטורת הפעלה, ריכוז פלואוריד, מוצקים מרחפים ומגבלות מקום כדי לוודא שבחירת החומר מותאמת לתנאי השירות בפועל ולמבנה העלויות של המתקן.
