A vegyes savösszetételek, amelyek meghatározzák a határokat
A vegyes savvisszanyerő rendszerek többféle savkombinációt kezelnek, és az anyagválasztás attól függ, hogy melyik kombináció van jelen.
Salétrom-hidrogén-fluorid keverékek.Ezeket rozsdamentes acél pácolásra és titán maratására használják. A salétromsav biztosítja az oxidációs potenciált, a hidrogén-fluorid pedig a fluorid aktivitást. A keverék agresszív a legtöbb fémmel és sok kerámiával szemben. A PTFE minden koncentrációban és hőmérsékleten ellenáll a keveréknek a tartományán belül. A szilícium-karbid 80 fokig ellenáll a keveréknek, de a fluorid megtámadja a szilícium-karbidot magasabb hőmérsékleten.
Kén--hidrogén-fluorid keverékek.Ezeket alumínium- és üvegmaratáshoz használják. A kénsav biztosítja a saverősséget, a hidrogén-fluorid pedig a fluorid aktivitást. A PTFE minden koncentrációban és hőmérsékleten ellenáll a keveréknek. A szilícium-karbid 60 fokig ellenáll a keveréknek, de a fluorid megtámadja a szilícium-karbidot magasabb hőmérsékleten.
Salétroms{0}}kénes keverékek.Ezeket fémpácoláshoz és passziváláshoz használják. A keverék erősen oxidáló, és az oxidációs potenciál a salétromsav koncentrációjával nő. A PTFE minden koncentrációban és hőmérsékleten ellenáll a keveréknek. A szilícium-karbid ellenáll a keveréknek 100 fokos hőmérsékleten, de az oxidáló potenciál megtámadhatja a szilícium-karbid szemcsehatár-fázisát.
A hővezető képesség rés
A szilícium-karbid hővezető képessége körülbelül 120 W/m·K, szemben a PTFE 0,25 W/m·K-val. Az arány körülbelül 480:1.
Egy 60 kW teljesítményű hőcserélőhöz vegyes savvisszanyerő rendszerben 70 fokon a szilícium-karbid egység körülbelül 3 m² felületet igényel, 1000 W/m²·K általános hőátbocsátási tényező és 20 fokos logaritmi hőmérsékletkülönbség alapján. Egy PTFE egység ugyanarra a feladatra körülbelül 15 m² felületet igényel, 200 W/m·K általános együttható és azonos hőmérsékletkülönbség alapján.
A PTFE egység 5-ször nagyobb, mint a szilícium-karbid egység. A nagyobb méret növeli a tőkeköltséget, az alapterületet és a folyadék mennyiségét. Az alacsonyabb hőáram csökkenti a csőfal hőmérsékletét, ami előnyös a folyamat szempontjából, de a nagyobb felület nagyobb felületet biztosít a lerakódások számára, és több időt igényel a tisztítás.
A fluorid támadás a kerámiák ellen
A vegyes savvisszanyerő rendszerekben lévő fluor a kerámiákat olyan mechanizmuson keresztül támadja meg, amely különbözik a fémek elleni támadástól. A fluor reakcióba lép a kerámiában lévő szilícium-dioxiddal vagy alumínium-oxiddal, és oldható fluoridvegyületeket képez, amelyek feloldják a kerámiát. A támadás sebessége a fluorid koncentrációtól, a hőmérséklettől és a kerámia adott összetételétől függ.
A szilícium-karbidnak jobb a fluorid ellenállása, mint az alumínium-oxid{0}}alapú kerámiáknak, mivel a szilícium-karbid szemcsék szilícium-nitridhez vagy szilícium-karbid mátrixhoz vannak kötve, amelyek jobban ellenállnak a fluoridnak. A szemcsehatár fázist azonban megtámadhatja a fluor magas hőmérsékleten, és a támadás gyengíti a kerámiát, és végül meghibásodást okoz.
A PTFE működési tartományán belül minden koncentrációban és hőmérsékleten ellenáll a fluoridnak. A szén-fluor kötéseket nem támadja meg a fluor, és a polimer szerkezetét nem rontja le a kémiai környezet. Ez az elsődleges oka annak, hogy a PTFE-t magas fluoridkoncentrációjú vegyes savvisszanyerő rendszerekhez írják elő.
A két anyag összehasonlítása a vegyes savvisszanyerésben
Az alábbi táblázat összefoglalja a PTFE és szilícium-karbid hőcserélők teljesítmény- és költségjellemzőit vegyes savvisszanyerő üzemben 70 fokon 10% salétromsavval és 3% hidrogén-fluoriddal.
| Jellegzetes | Szilícium-karbid hőcserélő | PTFE hőcserélő | Előny |
|---|---|---|---|
| Hővezetőképesség | 120 W/m·K | 0.25 W/m·K | Szilícium-karbid |
| Teljes hőátbocsátási tényező | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Szilícium-karbid |
| 60 kW-hoz szükséges felület | 3 m² | 15 m² | Szilícium-karbid |
| Kémiai ellenállás a nitrogén--hidrogén-fluorid keverékkel szemben | 70 fokon jó | Kiváló | PTFE |
| Kémiai ellenállás a fluoriddal szemben | Mérsékelt | Kiváló | PTFE |
| Maximális üzemi hőmérséklet | 80 fok (fluoriddal) | 260 fok | PTFE |
| Mechanikai szilárdság | Magas | Mérsékelt | Szilícium-karbid |
| Hőütésállóság | Alacsony | Magas | PTFE |
| Mechanikai ütésállóság | Alacsony | Magas | PTFE |
| Javíthatóság | Korlátozott | Jó | PTFE |
| Élettartam vegyes savszervizben | 4-6 év | 10-15 év | PTFE |
| Tőkeköltség 60 kW vámhoz | $48,000 | $42,000 | PTFE |
| Beépítési költség | $6,000 | $4,000 | PTFE |
| Éves karbantartási költség | $5,000 | $2,000 | PTFE |
| Öt{0}}éves összköltség | $109,000 | $72,000 | PTFE |
Az öt-éves összköltség értéke óránként 600 USD gyártási értéket feltételez, és tartalmazza a tőkeköltséget, a telepítési költséget és az öt évre vonatkozó karbantartási költséget.
Amikor a kerámia a jobb választás
A kerámia a jobb választás számos speciális alkalmazáshoz.
Alacsony-fluorid szolgáltatás.Ha a fluorid koncentrációja 1% alatt van, a kerámia fluorid támadási aránya alacsony, és az élettartam meghosszabbodik. Ebben az esetben a szilícium-karbid nagyobb hővezető képessége csökkenti a szükséges felületet és a tőkeköltséget.
Helykorlátos-telepítések.Ha a rendelkezésre álló hely erősen korlátozott, a kisebb szilícium-karbid egység lehet az egyetlen megvalósítható lehetőség. A PTFE egység 5-szörös felületet igényelne, ami nem feltétlenül fér el a rendelkezésre álló helyre.
Magas{0}}hőmérsékletű szolgáltatás fluor nélkül.Ha a kevert sav nem tartalmaz fluoridot, és a hőmérséklet 100 fok felett van, a szilícium-karbid megőrzi mechanikai szilárdságát és kémiai ellenálló képességét, míg a PTFE meglágyul és veszít szilárdságából 200 fok felett.
Magas-tisztaságú szolgáltatás.A szilícium-karbid nem szivárog ki szerves vegyületeket a technológiai folyadékba, ezért alkalmas nagy-tisztaságú alkalmazásokhoz, ahol a PTFE szerves kilúgozása aggodalomra ad okot.
Csiszolószervíz.A szilícium-karbid keménysége és kopásállósága nagyobb, mint a PTFE, ami alkalmassá teszi a hőcserélő felületét koptató lebegő szilárd anyagok kezelésére.
Amikor a PTFE a jobb választás
A PTFE a jobb választás számos speciális alkalmazásban.
Magas-fluorid szolgáltatás.A PTFE minden koncentrációban ellenáll a fluoridnak, míg a szilícium-karbidot megtámadja a fluorid magasabb hőmérsékleten.
Termálkerékpár szolgáltatás.A PTFE nagyobb hőütésállósággal rendelkezik, mint a szilícium-karbid, ami alkalmassá teszi a gyakori hőmérséklet-változások melletti szervizelésre.
Mechanikai ütközés szolgáltatás.A PTFE jobban ellenáll a mechanikai hatásoknak, mint a szilícium-karbid, ezért alkalmas olyan telepítésekre, ahol a hőcserélő vibrációnak vagy kezelésnek lehet kitéve.
Javítható szerviz.A PTFE hőcserélőket szakképzett technikus a helyszínen megjavíthatja, ami csökkenti az állásidőt és a termelési veszteséget.
Nagy hőterhelés szolgáltatás.Nagy hőterhelés esetén a PTFE alacsonyabb tőkeköltsége jelentősebbé válik, és a nagyobb felület kevésbé korlátozza.
Tervezési jellemzők, amelyek meghosszabbítják az élettartamot
Számos tervezési jellemző meghosszabbítja mind a PTFE, mind a kerámia hőcserélők élettartamát a vegyes savvisszanyerő szolgáltatásban.
Alacsonyabb üzemi hőmérséklet.Az üzemi hőmérséklet csökkentése csökkenti a kerámiát érő fluorid támadást és a sav diffúzióját a PTFE-be.
Alacsonyabb fluorid koncentráció.A fluorid koncentráció csökkentése csökkenti a kerámia károsodását. A fluorid koncentrációt folyamatosan ellenőrizni kell, és az adott kerámiaanyagra vonatkozó küszöbérték alatt kell tartani.
Áramlási sebesség szabályozás.Mérsékelt áramlási sebesség fenntartása csökkenti a határréteg vastagságát és a fluorid koncentrációját a cső felületén.
Helyezzen-tisztítási rendelkezéseket.A tisztítóoldat betáplálás és visszavezetés csatlakozásai lehetővé teszik a hőcserélő szétszerelés nélküli tisztítását, ami csökkenti az állásidőt és a termelési veszteséget.
Hőmérséklet figyelés.A hőcserélő bemeneténél és kimeneténél található hőmérsékletérzékelők lehetővé teszik a hőátadási teljesítmény monitorozását, ami lehetővé teszi a szennyeződés vagy leromlás korai észlelését.
A vegyes sav visszanyerésének specifikációs paraméterei
A PTFE-t és a kerámia hőcserélőket vegyes savvisszanyeréshez értékelő berendezésmérnököknek meg kell erősíteniük a következő paramétereket a szállítóval.
Vegyes savösszetétel.Adja meg a salétromsav, a kénsav, a hidrogén-fluorid és az egyéb összetevők koncentrációját.
Üzemi hőmérséklet.Adja meg a maximális üzemi hőmérsékletet és a várható hőmérsékleti profilt.
Fluorid koncentráció.Adja meg a maximális fluorid koncentrációt és a megfigyelési módszert.
Lebegő szilárd anyagok.Adja meg a savban lévő szuszpendált szilárd anyagok koncentrációját és részecskeméretét.
Hőterhelés és felület.Minden anyagopcióhoz adja meg a hőterhelést és a szükséges felületet.
Helyszűke.Adja meg a rendelkezésre álló helyet és a maximálisan megengedhető lábnyomot.
Karbantartási képesség.Határozza meg a létesítmény karbantartási képességét, beleértve a hőcserélő helyszíni javításának lehetőségét.
Élettartam követelmény.Adja meg a várható élettartamot és a csere ütemezését.
Az anyagválasztás a vegyes savszolgáltatási feltételekhez igazodik
A PTFE és a kerámia hőcserélők közötti választás vegyes savvisszanyerésben a fluorid koncentrációtól, a hőmérséklettől, a helyszűkétől és az élettartam követelményétől függ. A kerámia nagyobb hővezető képességgel rendelkezik, és kisebb felületet igényel, de érzékeny a fluorid támadására és a hősokkra. A PTFE alacsonyabb hővezető képességgel rendelkezik, és nagyobb felületet igényel, de ellenáll a fluoridnak és a hősokknak.
A kiválasztási döntésnek egy létesítmény-{0}}specifikus elemzésen kell alapulnia, amely magában foglalja a tőkeköltséget, a telepítési költséget, a karbantartási költséget és a termelési veszteség kockázatát. Egy egyszerű táblázatos modell ezekkel a költségkomponensekkel biztosítja a döntéshez szükséges információkat.
A hőcserélő opciókat értékelő vegyes savvisszanyerő létesítményeknél az anyagválasztásnak a várható élettartam alatti teljes birtoklási költségen kell alapulnia, nem csak a hőteljesítményen vagy a tőkeköltségen. A nagyobb hővezető képességű kerámia egység élettartama magasabb költséggel járhat, ha a fluorid koncentrációja magas, és az egység gyakori cserét igényel.
Azok a berendezésmérnökök és beszerzési szakemberek, akik a PTFE hőcserélő specifikációit értékelik vegyes sav-visszanyeréshez vagy más korrozív szolgáltatáshoz, tervezési felülvizsgálatot kérhetnek, amely kiterjed a kevert sav összetételére, az üzemi hőmérsékletre, a fluorid koncentrációra, a lebegőanyag-tartalomra és a helykorlátokra, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az anyagválasztás megfelel-e a létesítmény tényleges szolgáltatási feltételeinek és költségszerkezetének.
