התקן ההיסטורי
עופרת שימשה לטיפול בחומצה גופרתית מאז המאה ה-18. סגסוגות עופרת-אנטימון (בדרך כלל 4-8% אנטימון) שיפרו את התכונות המכניות של עופרת טהורה, מה שהפך אותה למתאים למחלפי חום, צנרת וציפוי מיכל. במשך למעלה ממאה שנה, עופרת-אנטימון היה החומר הסטנדרטי לחימום אמבטיות כבישה חומצה גופרתית. מתקנים רבים כאלה נשארים בשירות כיום.
עופרת מתנגדת לחומצה גופרתית באמצעות יצירת סרט עופרת סולפט (PbSO₄) שאינו מסיס בחומצה. סרט זה יציב ומגן על פני טווח הריכוז והטמפרטורה של רוב פעולות הכבישה -עד כ-80 מעלות בחומצה גופרתית של 10-20%.
עם זאת, מחליפי חום של עופרת-אנטימון מוחלפים. התחליפים הם יותר ויותר PTFE. הכוח המניע אינו כשל במנגנון ההגנה מפני קורוזיה של עופרת-הוא עדיין עובד. זה החסרונות התפעוליים המצטברים של מתכת רכה, כבדה ורעילה בהשוואה לפולימר אינרטי מודרני.
החסרונות המצטברים של עופרת-אנטימון
המגבלות של סגסוגת אנטימון עופרת- משתרעות על תחומים מכניים, תפעוליים וסביבתיים. אף אחד לא קטסטרופלי בנפרד. יחד, הם מניבים עלות בעלות כוללת העולה על PTFE למרות עלות החומר הנמוכה של עופרת.
שחיקה-קורוזיה: סרט ה-PbSO₄ המגן על עופרת מחומצה גופרתית הוא רך. בחומצה זורמת-במיוחד בפריקות משאבה במחזור, חרירי eductor או אזורים בעלי מערבולות גבוהה-הסרט נשחק. העופרת החשופה משנה את הסרט וצורכת מתכת. באתרי שחיקה, דופן העופרת מתדלדל בהדרגה. צינור מחליף חום עופרת- עשוי להחזיק מעמד 5-8 שנים בתנאים סטטיים אך רק 2-4 שנים בזרימה מתונה.
עייפות תרמית: לעופרת יש מקדם התפשטות תרמית של 29 × 10⁻⁶/מעלה -מהגבוהים מכל מתכת. עופרת-אנטימון מפחיתה זאת רק במעט. במהלך מחזורי חימום וקירור, העופרת מתרחבת ומתכווצת באופן דרמטי. התנועה החוזרת גורמת לעיוות זחילה בנקודות תמיכה וחיבורים. מפרקים מתרופפים. צינורות צונחים בין תומכים. העיוות המצטבר גורם בסופו של דבר לכשל בשבריר מחיי השירות המוגבלים-לקורוזיה.
רעילות: עופרת היא מתכת רעילה מווסתת. השימוש בו מצריך ניטור חשיפה, מעקב רפואי ונהלי טיפול מיוחדים. סילוק מחליפי חום עופרת מושלמים היא כפסולת מסוכנת. עלויות הניהול והסילוק מתווספות לעלות הבעלות הכוללת.
| פרמטר ביצועים | עופרת-סגסוגת אנטימון | PTFE |
|---|---|---|
| מנגנון הגנה מפני קורוזיה | סרט פסיבי PbSO₄ | יציבות קשר C-F אינהרנטית |
| עמידות בפני שחיקה | גרוע (סרט רך ומצע) | טוב (הומוגנית, ללא סרט) |
| עמידות בפני עייפות תרמית | גרוע (התרחבות גבוהה, זחילה) | מעולה (אירוח ויסקו אלסטי) |
| משקל עבור עבודה של 50 קילוואט (ק"ג) | 180-250 | 12-15 |
| רַעֲלָנוּת | גבוה (מתכת מווסתת) | אין (פולימר אינרטי) |
| חיי שירות בזרימה מתונה (שנים) | 2-4 | 15+ |
| חיי שירות בתנאים סטטיים (שנים) | 5-8 | 15+ |
| רְשׁוּת | פסולת מסוכנת | לא-מסוכן |
| עלות חומר (יחסית לק"ג) | 1.0× | 2-3× |
| עלות התקנה (יחסית) | 0.8× | 1.0× |
השוואת משקל ובטיחות ההתקנה
מחליף חום עופרת-אנטימון למיכל כבישה של 50 קילוואט שוקל 180-250 ק"ג. משקל זה דורש תמיכה מבנית, ציוד הרמה מכני להתקנה והסרה, ומהווה סכנה לטיפול בכוח אדם. מחליף PTFE לאותו שימוש שוקל 12-15 ק"ג - פחות מעשירית. שני עובדים יכולים לשאת ולהתקין אותו ללא סיוע מכני.
הפרש המשקל משפיע גם על העמסה המבנית של הטנק. סליל עופרת כבד המונח על רצפת המיכל עשוי לדרוש חיזוק רצפה, במיוחד במיכלי פלסטיק או מרופדים. רשת ה-PTFE קלת המשקל מטילה עומס מבני זניח.
במהלך תחזוקה, סליל עופרת שהיה בשירות חומצה גופרתית נושא שכבת פני השטח של PbSO₄ וחומצה נספגת. הטיפול בו דורש ציוד מגן אישי ונהלי טיהור. סליל PTFE נקי מבחינה כימית-שטיפה במים מסירה חומצה משטח, והפולימר האינרטי אינו דורש טיפול מיוחד.
החלטת המעבר
מתקנים שעדיין מפעילים מחליפי חום של עופרת-אנטימון עומדים בפני החלטה בכל החלפה: החלף ביחידת עופרת-אנטימון אחרת וקבל את אותו מחזור החלפה של 2-4 שנים, או המר ל-PTFE ובטל את מחזור ההחלפה למשך 15+ שנים. המרת ה-PTFE כרוכה בעלות ציוד חד פעמית גבוהה יותר אך מבטלת את העלויות החוזרות של החלפה תכופה, ניהול רעילות וטיפול בחומרים כבדים.
המעבר מתבצע לעתים קרובות-מכל אחד בכל פעם, מכיוון שיחידות מוביל נכשלות. לאחר ההמרה הראשונה של PTFE מדגימה את חיי השירות המורחבים ותחזוקה פשוטה, ההמרות הבאות עוקבות במהירות.
תַקצִיר
מחליפי חום PTFE מחזיקים מעמד בסגסוגת עופרת-אנטימונית בשירות חומצה גופרתית חמה, לא בגלל שמנגנון הקורוזיה של העופרת נכשל, אלא בגלל ש-PTFE מבטל את חסרונות השחיקה-הקורוזיה, העייפות התרמית והרעילות המצטברים לאורך חיי השירות של העופרת. חיי השירות של 15+ שנים של PTFE לעומת 2-4 שנים עבור עופרת בתנאי זרימה מניבים יתרון כולל בעלות הבעלות למרות עלות החומר הראשונית הגבוהה יותר של PTFE. הפחתת המשקל של למעלה מ-90% וביטול הטיפול בחומרים רעילים מוסיפים יתרונות תפעוליים ובטיחותיים.
תמיכה הנדסית להחלפת מחליף חום עופרת-ל-PTFE זמינה עם הגשת מידות מיכל, ריכוז חומצה וטמפרטורת, תנאי זרימה ורישומי חיי שירות ותחזוקה נוכחיים של ציוד עופרת.
