A gipsz lerakódási problémája
A kalcium-szulfát lerakódás sújtja a hőcserélőket a bányászatban, az ásványfeldolgozásban és az ipari szennyvízkezelésben. A gipsz fordított oldhatóságú,{1}}a hőmérséklet emelkedésével könnyebben kicsapódik. A rendszer legforróbb felülete, a hőcserélő cső fala a kristálymagképződés és -növekedés preferált helyévé válik.
A hagyományos felfogás a PTFE skálázási ellenállását az alacsony felületi energiának tulajdonítja. A kalcium-szulfát kristályok kevésbé könnyen gócképződnek a tapadásmentes fluorpolimer felületén, mint a nagy-energiájú fém-oxidokon. Ez a magyarázat helyes, de nem teljes. Egy másik mechanizmus, amely a termikus határréteg viselkedéséhez kapcsolódik, ugyanúgy hozzájárul a fém és PTFE felületek közötti skálázási arányok különbségéhez.
A skálaképződés kettős mechanizmusa
A vízkőképződés a hőátadó felületen két egymást követő lépésből áll. Először is, az oldott ionoknak át kell diffundálniuk a termikus határrétegen, hogy elérjék a felszínt. Másodszor, a felszínre kerülve az ionoknak magot kell képezniük, és összetapadó kristályokká kell nőniük.
A termikus határréteg a cső falával szomszédos, stagnáló vagy lassan mozgó folyadékfilm. Vastagsága a folyadék sebességétől, a cső átmérőjétől és a folyadék tulajdonságaitól függ. Ezen a rétegen belül a hővezetés vezetés útján történik, és hőmérsékleti gradienst hoz létre az ömlesztett folyadék hőmérsékletétől a melegebb falhőmérséklet felé.
A gipsz lerakódásánál a határrétegen belüli hőmérsékleti gradiens kritikus. A kalcium-szulfát oldhatósága a hőmérséklet emelkedésével csökken. A fal határfelületén lévő folyadék forróbb, mint az ömlesztett folyadék, így a gipszhez képest túltelítettebb. A fal túltelítettségének mértéke határozza meg a kristályosodás hajtóerejét.
1. táblázat: Határréteg és méretezési paraméterek fém és PTFE felületekhez (gipsz-telített oldat, 60 fokos tömeg, 80 fokos fal)
| Paraméter | Rozsdamentes acél | Titán | PTFE |
|---|---|---|---|
| Felületi energia (mN/m) | 40-50 | 35-45 | 18-20 |
| Hővezetőképesség (W/m·K) | 16 | 22 | 0.25 |
| Hőmérséklet csökkenés a cső falán ( fok ) | < 1 | < 1 | 8-12 |
| Valódi falfelületi hőmérséklet ( fok ) | ~80 | ~80 | 68-72 |
| A gipsz túltelítettségi aránya a falfelületen | 3.5-4.0× | 3.5-4.0× | 2.0-2.5× |
| Magképződési arány (relatív) | 1.0 (alapvonal) | 0.9 | 0.2-0.3 |
| A lerakódás tapadási szilárdsága (relatív) | 1.0 (alapvonal) | 0.8 | 0.1-0.2 |
A PTFE falhőmérséklet előnye
A PTFE alacsony hővezető képessége, amelyet általában hátránynak tekintenek, nem várt előnyt jelent a{0}}méretezésre hajlamos szolgáltatásban. A hőmérsékleti gradiens a PTFE cső falán jelentős -jellemzően 8-12 fok gőzzel fűtött tekercs esetén. A technológiai közeggel érintkező külső csőfelület lényegesen hidegebb, mint a belső gőz hőmérséklete.
Az elhanyagolható falellenállású fémcső külső felületének hőmérséklete közel megegyezik a belső gőz hőmérsékletével. Ha a 3 barg (143 fokos) gőz felmelegíti a folyamatfolyadékot 60 fokra, a fémcső külső felülete 80 fokos lehet. A PTFE cső külső felülete azonos körülmények között 68-72 fok lehet.
Ez a 10 fokos eltérés csökkenti a gipsz túltelítettségét a falfelületen. Mivel a gócképződés sebessége exponenciálisan függ a túltelítettségtől, a hidegebb PTFE felület a forróbb fémfelület sebességének töredékével serkenti a kristályképződést.
A hatásvegyületek. A kevesebb magképződés kisebb léptéket jelent. A kisebb vízkő azt jelenti, hogy a PTFE felületi hőmérséklete nem emelkedik tovább a szigetelő vízkőréteg kialakulásával. A gyorsabban felhalmozódó fémfelület falának hőmérséklete emelkedik, ahogy a vízkő szigeteli, tovább növelve a túltelítettséget és felgyorsítva a vízkőképződést egy destruktív visszacsatolási hurokban.
Felületi energia: A második tényező
A PTFE alacsony felületi energiája biztosítja a második skálázás elleni védelmet. Még akkor is gyengén tapadnak, ha a kristályok a PTFE felület közelében gócképződnek. A hidrofil gipszkristály és a hidrofób fluorpolimer felület közötti határfelületi kötés gyenge. A normál áramlásból származó folyadéknyírás kimozdítja a születő kristályokat, mielőtt azok elég nagyra nőnének ahhoz, hogy összefüggő rétegréteget képezzenek.
A nagy felületi energiával és bőséges hidroxilcsoportokkal rendelkező fémoxid felületek erős kötéseket képeznek a kalcium-szulfát kristályokkal. Amint egy gipszréteg magokat képez a fémen, ezt követően kristálynövekedés következik be a meglévő gipszrétegen. A tiszta fémfelületen való indulás felületi energiaelőnye azonnal elveszik.
Kombinált hatás az ipari szolgáltatásban
Az alacsonyabb valós falhőmérséklet és az alacsonyabb felületi energia kombinációja a PTFE-nek vízkőállóságot biztosít, amelyet a helyszíni tapasztalatok is megerősítenek. Azokban a gipsz-telített oldatokban, ahol a rozsdamentes acél tekercseket 4-8 hetente kell vízkőteleníteni, a PTFE tekercsek 6-12 hónapig vagy tovább működnek jelentős vízkő felhalmozódás nélkül. A kettős mechanizmus megmagyarázza, hogy a PTFE miért teljesíti felül még azt az alacsony felületi energiájú érv is, amelyet önmagában megjósol.
Összegzés
A PTFE hőcserélő felületei két mechanizmuson keresztül ellenállnak a gipsz lerakódásának: hidegebb valódi falhőmérséklet a termikus gradiensből az alacsony -vezetőképességű csőfalon keresztül, csökkentve a túltelítettséget és a gócképződést hajtóerőt; és alacsony felületi energia, amely megakadályozza a kialakuló kristályok erős tapadását. A fémfelületek egyaránt szenvednek a magasabb falhőmérséklettől, ami gyorsabb gócképződést eredményez, és a nagyobb felületi energiájú kristályokat szorosan megköti.
A kombinált hatás olyan skálázási arányokat eredményez a fémeken, amelyek legalább 3-5-szörösével haladják meg a PTFE-nél tapasztalható méreteket. A PTFE hővezető-képességi hátránya a gipsszel telített szolgáltatásnál a vízkőképződés elleni -előnnyé válik.
A PTFE hőcserélő vízkőállóságára vonatkozó mérnöki elemzés az adott skálázásra hajlamos megoldásokban-az oldat kémiájára, az üzemi hőmérsékletekre, az aktuális skálázási sebességre vonatkozó adatok és a tisztítási gyakoriság előzményeinek benyújtásával érhető el.
