A falhőmérséklet, amely meghatározza a lebomlási mechanizmust
A 20 fokon 15%-os kénsavval üzemelő kénsavas eloxálósor hűtéséhez hőcserélő szükséges. A csőfal hőmérséklete közel van a folyamat hőmérsékletéhez, mert a hőáram alacsony, és a hűtővíz csak néhány fokkal alacsonyabb a folyamat alatt. A PTFE cső 20-25 fokos hőmérsékleten működik, ami jóval alatta marad annak a hőmérsékletnek, amelyen bármely lebomlási mechanizmus aktiválódik. A cső élettartamát mechanikai tényezők határozzák meg, élettartama 15-20 év.
A kénsavat 150 fokon koncentráló vegyi feldolgozó létesítményben hőcserélő szükséges a fűtéshez. A csőfal hőmérsékletét a hőáram és a csőfal hőellenállása határozza meg. 2,0 W/cm² hőáram és 0,8 mm-es fal esetén a fal hőmérséklete körülbelül 215 fok. Ezen a hőmérsékleten a kénsav mérhető sebességgel támadja meg a PTFE-t, és a cső élettartamát nem a mechanikai tényezők, hanem a kémiai lebomlás határozza meg.
A falhőmérséklet küszöbe e két rezsim között körülbelül 180-200 fok a kénsav üzemben. E küszöbérték alatt a lebomlási sebesség lassú, és a cső élettartamát mechanikai tényezők határozzák meg. E küszöbérték felett a lebomlási sebesség gyorsan növekszik, és a cső élettartama a hőmérséklet emelkedésével csökken.
A kémiai lebomlási mechanizmus a küszöbérték felett
A PTFE lebomlása forró kénsavban a polimer amorf régióinak oxidációján keresztül megy végbe. A kénsav, különösen nagy koncentrációban, erős oxidálószer magas hőmérsékleten. A sav megtámadja a láncvégeket és az amorf régiókban lévő hibahelyeket, megszakítva a polimer láncokat, és kisebb töredékeket hozva létre, amelyeket a technológiai folyadék felold, vagy magával visz.
A lebomlási sebesség exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel. 10 fokos hőmérséklet-emelkedés körülbelül megkétszerezi a lebomlási sebességet. A 180 fok és a 220 fok közötti különbség 16-szoros a lebomlási sebességben.
A lebomlás nem egyenletes a cső falán. A támadás a felszínen kezdődik és befelé terjed. A felület érdessé és porózussá válik, a mechanikai szilárdság csökken. A cső fala idővel elvékonyodik, és végül a cső megreped.
A savkoncentráció hatása
A lebomlás sebessége a kénsav koncentrációjától függ. A híg kénsav (50% alatt) alacsonyabb oxidációs potenciállal rendelkezik, mint a tömény sav (90% felett). A lebomlási sebesség 50%-os kénsavban 200 fokon körülbelül fele a 98%-os kénsav sebességének ugyanazon a hőmérsékleten.
A koncentráló hatás különösen fontos a kénsav sűrítési szolgáltatásban, ahol a savkoncentráció a víz elpárologtatásával nő. A rendszer koncentrált végén lévő hőcserélő csövek magasabb savkoncentrációt és nagyobb lebomlási sebességet látnak, mint a híg végén lévő csövek.
Az oxidáló szennyeződések hatása
A lebomlási sebességet felgyorsítják a kénsavban lévő oxidáló szennyeződések. A salétromsav, a krómsav és a hidrogén-peroxid gyakori szennyeződések, amelyek növelik a sav oxidációs potenciálját. A salétromsav néhány százaléka is kétszer-háromszorosára növelheti a lebomlási sebességet.
A szennyeződések befolyásolják a fal maximális megengedett hőmérsékletét is. A tiszta kénsavban a küszöb körülbelül 200 fok. Az 5% salétromsavat tartalmazó kénsavban a küszöb körülbelül 170 fok. A 10% salétromsavat tartalmazó kénsavban a küszöb körülbelül 150 fok.
A megengedett falhőmérséklet számszerűsítése
Az alábbi táblázat összefoglalja a maximálisan megengedhető falhőmérsékletet különböző kénsav üzemi feltételek mellett, a szükséges 10 éves élettartam alapján.
| Savkoncentráció | Oxidáló szennyeződések | Maximális megengedett falhőmérséklet | Lebomlási sebesség határértéken | Javasolt csőfalvastagság |
|---|---|---|---|---|
| 15% H2SO4 | Egyik sem | 220 fok | 0,05 mm/év | 0,8 mm |
| 30% H2SO4 | Egyik sem | 210 fok | 0,06 mm/év | 0,8 mm |
| 50% H2SO4 | Egyik sem | 200 fok | 0,07 mm/év | 0,8 mm |
| 70% H2SO4 | Egyik sem | 190 fok | 0,08 mm/év | 0,8 mm |
| 98% H2SO4 | Egyik sem | 180 fok | 0,10 mm/év | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 5% HNO3 | 170 fok | 0,10 mm/év | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 10% HNO3 | 150 fok | 0,12 mm/év | 1,0 mm |
| 98% H2SO4 | 5% HNO3 | 150 fok | 0,15 mm/év | 1,2 mm |
A maximálisan megengedhető falhőmérséklet értékek 10 év szükséges élettartamot és 0,3 mm megengedett legkisebb falvastagságot feltételeznek. A lebomlási sebességek a kénsav szolgáltatásból és laboratóriumi vizsgálatokból származó helyszíni adatokon alapulnak.
A mechanikai stressz kölcsönhatás
A maximálisan megengedhető falhőmérsékletet befolyásolja a cső mechanikai igénybevétele. A termikus igénybevétel és a nyomásfeszültség kombinációja csökkenti a megengedett hőmérsékletet, mivel a lebomlási sebesség a feszültséggel nő.
A mechanikai igénybevételnek két hatása van. Először is, a feszültség növeli a sav diffúziós sebességét a PTFE-be azáltal, hogy kinyitja a polimer amorf régióit. Másodszor, a feszültség csökkenti a cső mechanikai szilárdságát, ami csökkenti a megengedhető falveszteséget a szakadás előtt.
A feszültséghatás különösen fontos a cső-cs-lemez csatlakozásainál, ahol a legnagyobb a feszültségkoncentráció. A maximális megengedett falhőmérséklet a csatlakozásnál jellemzően 10-20 fokkal alacsonyabb, mint a csőtestben.
Tervezési jellemzők, amelyek csökkentik a fal hőmérsékletét
Számos tervezési jellemző csökkenti a csőfal hőmérsékletét adott hőterhelés mellett.
Nagyobb felület.A nagyobb felület csökkenti a hőáramot, ami csökkenti a fal hőmérsékletét. A felület 50%-os növelése körülbelül 33%-kal csökkenti a hőáramot és a falhőmérsékletet.
Vékonyabb csőfal.A vékonyabb fal csökkenti a hőellenállást és a fal hőmérsékletét ugyanazon hőáram mellett. Egy 0,5 mm-es fal hőállósága fele akkora, mint az 1,0 mm-es falé.
Nagyobb vezetőképességű csőanyag.A 0,5 W/m·K hővezető képességű töltött PTFE-keverék falának hőállósága fele akkora, mint a szűz PTFE.
Magasabb folyamatáramlási sebesség.A nagyobb áramlási sebesség növeli a folyamat{0}}oldali film együtthatóját és csökkenti a fal hőmérsékletét.
Nagyobb szolgáltatási oldali áramlási sebesség-.A nagyobb gőz- vagy melegvízsebesség növeli a szervizoldali fólia együtthatóját, és csökkenti a fal hőmérsékletét.
Áramláselosztás fejléce.Az áramláselosztó fej egyenletes áramlást biztosít a csőkötegben, ami megakadályozza a helyi forró pontok kialakulását.
Csőanyagok összehasonlítása a magas{0}}hőmérsékletű kénsav szolgáltatáshoz
Az alábbi táblázat összefoglalja a maximálisan megengedhető falhőmérsékletet és a különböző PTFE csőanyagok élettartamát 98%-os kénsavas üzemben 1,5 W/cm² hőáram mellett.
| Cső anyaga | Hővezetőképesség | Falhőmérséklet 1,5 W/cm² | Élettartam 180 fokban | Élettartam 200 fokon | Élettartam 220 fokban |
|---|---|---|---|---|---|
| Szűz PTFE | 0.25 W/m·K | 210 fok | 10-15 év | 5-8 év | 2-3 év |
| Nagy{0}}kristályosságú PTFE | 0.26 W/m·K | 205 fok | 12-18 év | 6-10 év | 3-4 év |
| Grafittal{0}}töltött PTFE | 0.50 W/m·K | 165 fok | 15-20 év | 10-15 év | 5-8 év |
| Szén{0}}töltött PTFE | 0.65 W/m·K | 150 fok | 15-20 év | 12-18 év | 8-12 év |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 fok | 8-12 év | 4-6 év | 1-2 év |
Az élettartam értékek helyszíni adatokon és laboratóriumi vizsgálatokon alapuló becslések. A tényleges élettartam a savas kémiától, a mechanikai igénybevételtől és a működési gyakorlattól függően változik.
Specifikációs paraméterek a kénsav szolgáltatáshoz
A kénsav szolgáltatáshoz PTFE hőcserélőt előíró berendezésmérnököknek meg kell erősíteniük a következő paramétereket a szállítóval.
Savkoncentráció.Adja meg a maximális koncentrációt és a várható tartományt.
Oxidáló szennyeződések.Adja meg a salétromsav, krómsav, hidrogén-peroxid vagy más oxidáló anyagok koncentrációját.
Üzemi hőmérséklet.Adja meg a maximális üzemi hőmérsékletet és a várható hőmérsékleti profilt.
Hőterhelés és felület.Adja meg a hőterhelést és a szükséges felületet.
Hőáram.Adja meg a maximális megengedett hőáramot a falhőmérséklet határértéke alapján.
A cső falvastagsága.Adja meg a cső falvastagságát a hőáram és a megengedett falhőmérséklet alapján.
Cső anyaga.Adja meg a cső anyagát a fal hőmérséklete és a lebomlási sebesség alapján.
Élettartam követelmény.Adja meg a várható élettartamot és a csere ütemezését.
Hőmérséklet figyelés.Adja meg a hőmérséklet-érzékelőket és a falhőmérséklet követésének felügyeleti módszerét.
A falhőmérséklet és az élettartam-követelmények összehangolása
A PTFE hőcserélő csövek maximális megengedett falhőmérséklete kénsav üzemben a savkoncentrációtól, az oxidáló szennyeződésektől és a szükséges élettartamtól függ. A 180-200 fokos küszöb alatt a lebomlási sebesség lassú, a cső élettartamát mechanikai tényezők határozzák meg. A küszöbérték felett a lebomlási sebesség exponenciálisan növekszik, és a cső élettartama a hőmérséklet emelkedésével gyorsan csökken.
A falhőmérsékletet az élettartam követelménye és a teljes birtoklási költség alapján kell megválasztani. Az alacsonyabb falhőmérséklet nagyobb felületet vagy nagyobb vezetőképességű csőanyagot igényel, ami növeli a tőkeköltséget. De az alacsonyabb falhőmérséklet meghosszabbítja a cső élettartamát és csökkenti a karbantartási költségeket.
A PTFE hőcserélő opciókat értékelő kénsav szerviz létesítményeknél a falhőmérsékletet a közbeszerzési dokumentumokban meg kell határozni, és az üzembe helyezéskor ellenőrizni kell. A gyártó által megadott alapértelmezett konfigurációt inkább a tömörségre, mint az élettartamra lehet optimalizálni, és a kapott falhőmérséklet meghaladhatja a degradációs küszöböt.
A PTFE hőcserélő kénsavra vagy más korrozív szolgáltatásra vonatkozó specifikációit értékelő berendezésmérnökök és beszerzési szakértők tervezési felülvizsgálatot kérhetnek, amely kiterjed a savkoncentrációra, az oxidáló szennyeződésekre, az üzemi hőmérsékletre, a hőáramra, a csőfalvastagságra és a csőanyagra, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az egység megfelel-e a létesítmény tényleges üzemi feltételeinek és élettartam-követelményeinek.
A falhőmérséklet, amely meghatározza a lebomlási mechanizmust
A 20 fokon 15%-os kénsavval üzemelő kénsavas eloxálósor hűtéséhez hőcserélő szükséges. A csőfal hőmérséklete közel van a folyamat hőmérsékletéhez, mert a hőáram alacsony, és a hűtővíz csak néhány fokkal alacsonyabb a folyamat alatt. A PTFE cső 20-25 fokos hőmérsékleten működik, ami jóval alatta marad annak a hőmérsékletnek, amelyen bármely lebomlási mechanizmus aktiválódik. A cső élettartamát mechanikai tényezők határozzák meg, élettartama 15-20 év.
A kénsavat 150 fokon koncentráló vegyi feldolgozó létesítményben hőcserélő szükséges a fűtéshez. A csőfal hőmérsékletét a hőáram és a csőfal hőellenállása határozza meg. 2,0 W/cm² hőáram és 0,8 mm-es fal esetén a fal hőmérséklete körülbelül 215 fok. Ezen a hőmérsékleten a kénsav mérhető sebességgel támadja meg a PTFE-t, és a cső élettartamát nem a mechanikai tényezők, hanem a kémiai lebomlás határozza meg.
A falhőmérséklet küszöbe e két rezsim között körülbelül 180-200 fok a kénsav üzemben. E küszöbérték alatt a lebomlási sebesség lassú, és a cső élettartamát mechanikai tényezők határozzák meg. E küszöbérték felett a lebomlási sebesség gyorsan növekszik, és a cső élettartama a hőmérséklet emelkedésével csökken.
A kémiai lebomlási mechanizmus a küszöbérték felett
A PTFE lebomlása forró kénsavban a polimer amorf régióinak oxidációján keresztül megy végbe. A kénsav, különösen nagy koncentrációban, erős oxidálószer magas hőmérsékleten. A sav megtámadja a láncvégeket és az amorf régiókban lévő hibahelyeket, megszakítva a polimer láncokat, és kisebb töredékeket hozva létre, amelyeket a technológiai folyadék felold, vagy magával visz.
A lebomlási sebesség exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel. 10 fokos hőmérséklet-emelkedés körülbelül megkétszerezi a lebomlási sebességet. A 180 fok és a 220 fok közötti különbség 16-szoros a lebomlási sebességben.
A lebomlás nem egyenletes a cső falán. A támadás a felszínen kezdődik és befelé terjed. A felület érdessé és porózussá válik, a mechanikai szilárdság csökken. A cső fala idővel elvékonyodik, és végül a cső megreped.
A savkoncentráció hatása
A lebomlás sebessége a kénsav koncentrációjától függ. A híg kénsav (50% alatt) alacsonyabb oxidációs potenciállal rendelkezik, mint a tömény sav (90% felett). A lebomlási sebesség 50%-os kénsavban 200 fokon körülbelül fele a 98%-os kénsav sebességének ugyanazon a hőmérsékleten.
A koncentráló hatás különösen fontos a kénsav sűrítési szolgáltatásban, ahol a savkoncentráció a víz elpárologtatásával nő. A rendszer koncentrált végén lévő hőcserélő csövek magasabb savkoncentrációt és nagyobb lebomlási sebességet látnak, mint a híg végén lévő csövek.
Az oxidáló szennyeződések hatása
A lebomlási sebességet felgyorsítják a kénsavban lévő oxidáló szennyeződések. A salétromsav, a krómsav és a hidrogén-peroxid gyakori szennyeződések, amelyek növelik a sav oxidációs potenciálját. A salétromsav néhány százaléka is kétszer-háromszorosára növelheti a lebomlási sebességet.
A szennyeződések befolyásolják a fal maximális megengedett hőmérsékletét is. A tiszta kénsavban a küszöb körülbelül 200 fok. Az 5% salétromsavat tartalmazó kénsavban a küszöb körülbelül 170 fok. A 10% salétromsavat tartalmazó kénsavban a küszöb körülbelül 150 fok.
A megengedett falhőmérséklet számszerűsítése
Az alábbi táblázat összefoglalja a maximálisan megengedhető falhőmérsékletet különböző kénsav üzemi feltételek mellett, a szükséges 10 éves élettartam alapján.
| Savkoncentráció | Oxidáló szennyeződések | Maximális megengedett falhőmérséklet | Lebomlási sebesség határértéken | Javasolt csőfalvastagság |
|---|---|---|---|---|
| 15% H2SO4 | Egyik sem | 220 fok | 0,05 mm/év | 0,8 mm |
| 30% H2SO4 | Egyik sem | 210 fok | 0,06 mm/év | 0,8 mm |
| 50% H2SO4 | Egyik sem | 200 fok | 0,07 mm/év | 0,8 mm |
| 70% H2SO4 | Egyik sem | 190 fok | 0,08 mm/év | 0,8 mm |
| 98% H2SO4 | Egyik sem | 180 fok | 0,10 mm/év | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 5% HNO3 | 170 fok | 0,10 mm/év | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 10% HNO3 | 150 fok | 0,12 mm/év | 1,0 mm |
| 98% H2SO4 | 5% HNO3 | 150 fok | 0,15 mm/év | 1,2 mm |
A maximálisan megengedhető falhőmérséklet értékek 10 év szükséges élettartamot és 0,3 mm megengedett legkisebb falvastagságot feltételeznek. A lebomlási sebességek a kénsav szolgáltatásból és laboratóriumi vizsgálatokból származó helyszíni adatokon alapulnak.
A mechanikai stressz kölcsönhatás
A maximálisan megengedhető falhőmérsékletet befolyásolja a cső mechanikai igénybevétele. A termikus igénybevétel és a nyomásfeszültség kombinációja csökkenti a megengedett hőmérsékletet, mivel a lebomlási sebesség a feszültséggel nő.
A mechanikai igénybevételnek két hatása van. Először is, a feszültség növeli a sav diffúziós sebességét a PTFE-be azáltal, hogy kinyitja a polimer amorf régióit. Másodszor, a feszültség csökkenti a cső mechanikai szilárdságát, ami csökkenti a megengedhető falveszteséget a szakadás előtt.
A feszültséghatás különösen fontos a cső-cs-lemez csatlakozásainál, ahol a legnagyobb a feszültségkoncentráció. A maximális megengedett falhőmérséklet a csatlakozásnál jellemzően 10-20 fokkal alacsonyabb, mint a csőtestben.
Tervezési jellemzők, amelyek csökkentik a fal hőmérsékletét
Számos tervezési jellemző csökkenti a csőfal hőmérsékletét adott hőterhelés mellett.
Nagyobb felület.A nagyobb felület csökkenti a hőáramot, ami csökkenti a fal hőmérsékletét. A felület 50%-os növelése körülbelül 33%-kal csökkenti a hőáramot és a falhőmérsékletet.
Vékonyabb csőfal.A vékonyabb fal csökkenti a hőellenállást és a fal hőmérsékletét ugyanazon hőáram mellett. Egy 0,5 mm-es fal hőállósága fele akkora, mint az 1,0 mm-es falé.
Nagyobb vezetőképességű csőanyag.A 0,5 W/m·K hővezető képességű töltött PTFE-keverék falának hőállósága fele akkora, mint a szűz PTFE.
Magasabb folyamatáramlási sebesség.A nagyobb áramlási sebesség növeli a folyamat{0}}oldali film együtthatóját és csökkenti a fal hőmérsékletét.
Nagyobb szolgáltatási oldali áramlási sebesség-.A nagyobb gőz- vagy melegvízsebesség növeli a szervizoldali fólia együtthatóját, és csökkenti a fal hőmérsékletét.
Áramláselosztás fejléce.Az áramláselosztó fej egyenletes áramlást biztosít a csőkötegben, ami megakadályozza a helyi forró pontok kialakulását.
Csőanyagok összehasonlítása a magas{0}}hőmérsékletű kénsav szolgáltatáshoz
Az alábbi táblázat összefoglalja a maximálisan megengedhető falhőmérsékletet és a különböző PTFE csőanyagok élettartamát 98%-os kénsavas üzemben 1,5 W/cm² hőáram mellett.
| Cső anyaga | Hővezetőképesség | Falhőmérséklet 1,5 W/cm² | Élettartam 180 fokban | Élettartam 200 fokon | Élettartam 220 fokban |
|---|---|---|---|---|---|
| Szűz PTFE | 0.25 W/m·K | 210 fok | 10-15 év | 5-8 év | 2-3 év |
| Nagy{0}}kristályosságú PTFE | 0.26 W/m·K | 205 fok | 12-18 év | 6-10 év | 3-4 év |
| Grafittal{0}}töltött PTFE | 0.50 W/m·K | 165 fok | 15-20 év | 10-15 év | 5-8 év |
| Szén{0}}töltött PTFE | 0.65 W/m·K | 150 fok | 15-20 év | 12-18 év | 8-12 év |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 fok | 8-12 év | 4-6 év | 1-2 év |
Az élettartam értékek helyszíni adatokon és laboratóriumi vizsgálatokon alapuló becslések. A tényleges élettartam a savas kémiától, a mechanikai igénybevételtől és a működési gyakorlattól függően változik.
Specifikációs paraméterek a kénsav szolgáltatáshoz
A kénsav szolgáltatáshoz PTFE hőcserélőt előíró berendezésmérnököknek meg kell erősíteniük a következő paramétereket a szállítóval.
Savkoncentráció.Adja meg a maximális koncentrációt és a várható tartományt.
Oxidáló szennyeződések.Adja meg a salétromsav, krómsav, hidrogén-peroxid vagy más oxidáló anyagok koncentrációját.
Üzemi hőmérséklet.Adja meg a maximális üzemi hőmérsékletet és a várható hőmérsékleti profilt.
Hőterhelés és felület.Adja meg a hőterhelést és a szükséges felületet.
Hőáram.Adja meg a maximális megengedett hőáramot a falhőmérséklet határértéke alapján.
A cső falvastagsága.Adja meg a cső falvastagságát a hőáram és a megengedett falhőmérséklet alapján.
Cső anyaga.Adja meg a cső anyagát a fal hőmérséklete és a lebomlási sebesség alapján.
Élettartam követelmény.Adja meg a várható élettartamot és a csere ütemezését.
Hőmérséklet figyelés.Adja meg a hőmérséklet-érzékelőket és a falhőmérséklet követésének felügyeleti módszerét.
A falhőmérséklet és az élettartam-követelmények összehangolása
A PTFE hőcserélő csövek maximális megengedett falhőmérséklete kénsav üzemben a savkoncentrációtól, az oxidáló szennyeződésektől és a szükséges élettartamtól függ. A 180-200 fokos küszöb alatt a lebomlási sebesség lassú, a cső élettartamát mechanikai tényezők határozzák meg. A küszöbérték felett a lebomlási sebesség exponenciálisan növekszik, és a cső élettartama a hőmérséklet emelkedésével gyorsan csökken.
A falhőmérsékletet az élettartam követelménye és a teljes birtoklási költség alapján kell megválasztani. Az alacsonyabb falhőmérséklet nagyobb felületet vagy nagyobb vezetőképességű csőanyagot igényel, ami növeli a tőkeköltséget. De az alacsonyabb falhőmérséklet meghosszabbítja a cső élettartamát és csökkenti a karbantartási költségeket.
A PTFE hőcserélő opciókat értékelő kénsav szerviz létesítményeknél a falhőmérsékletet a közbeszerzési dokumentumokban meg kell határozni, és az üzembe helyezéskor ellenőrizni kell. A gyártó által megadott alapértelmezett konfigurációt inkább a tömörségre, mint az élettartamra lehet optimalizálni, és a kapott falhőmérséklet meghaladhatja a degradációs küszöböt.
A PTFE hőcserélő kénsavra vagy más korrozív szolgáltatásra vonatkozó specifikációit értékelő berendezésmérnökök és beszerzési szakértők tervezési felülvizsgálatot kérhetnek, amely kiterjed a savkoncentrációra, az oxidáló szennyeződésekre, az üzemi hőmérsékletre, a hőáramra, a csőfalvastagságra és a csőanyagra, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az egység megfelel-e a létesítmény tényleges üzemi feltételeinek és élettartam-követelményeinek.
A falhőmérséklet, amely meghatározza a lebomlási mechanizmust
A 20 fokon 15%-os kénsavval üzemelő kénsavas eloxálósor hűtéséhez hőcserélő szükséges. A csőfal hőmérséklete közel van a folyamat hőmérsékletéhez, mert a hőáram alacsony, és a hűtővíz csak néhány fokkal alacsonyabb a folyamat alatt. A PTFE cső 20-25 fokos hőmérsékleten működik, ami jóval alatta marad annak a hőmérsékletnek, amelyen bármely lebomlási mechanizmus aktiválódik. A cső élettartamát mechanikai tényezők határozzák meg, élettartama 15-20 év.
A kénsavat 150 fokon koncentráló vegyi feldolgozó létesítményben hőcserélő szükséges a fűtéshez. A csőfal hőmérsékletét a hőáram és a csőfal hőellenállása határozza meg. 2,0 W/cm² hőáram és 0,8 mm-es fal esetén a fal hőmérséklete körülbelül 215 fok. Ezen a hőmérsékleten a kénsav mérhető sebességgel támadja meg a PTFE-t, és a cső élettartamát nem a mechanikai tényezők, hanem a kémiai lebomlás határozza meg.
A falhőmérséklet küszöbe e két rezsim között körülbelül 180-200 fok a kénsav üzemben. E küszöbérték alatt a lebomlási sebesség lassú, és a cső élettartamát mechanikai tényezők határozzák meg. E küszöbérték felett a lebomlási sebesség gyorsan növekszik, és a cső élettartama a hőmérséklet emelkedésével csökken.
A kémiai lebomlási mechanizmus a küszöbérték felett
A PTFE lebomlása forró kénsavban a polimer amorf régióinak oxidációján keresztül megy végbe. A kénsav, különösen nagy koncentrációban, erős oxidálószer magas hőmérsékleten. A sav megtámadja a láncvégeket és az amorf régiókban lévő hibahelyeket, megszakítva a polimer láncokat, és kisebb töredékeket hozva létre, amelyeket a technológiai folyadék felold, vagy magával visz.
A lebomlási sebesség exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel. 10 fokos hőmérséklet-emelkedés körülbelül megkétszerezi a lebomlási sebességet. A 180 fok és a 220 fok közötti különbség 16-szoros a lebomlási sebességben.
A lebomlás nem egyenletes a cső falán. A támadás a felszínen kezdődik és befelé terjed. A felület érdessé és porózussá válik, a mechanikai szilárdság csökken. A cső fala idővel elvékonyodik, és végül a cső megreped.
A savkoncentráció hatása
A lebomlás sebessége a kénsav koncentrációjától függ. A híg kénsav (50% alatt) alacsonyabb oxidációs potenciállal rendelkezik, mint a tömény sav (90% felett). A lebomlási sebesség 50%-os kénsavban 200 fokon körülbelül fele a 98%-os kénsav sebességének ugyanazon a hőmérsékleten.
A koncentráló hatás különösen fontos a kénsav sűrítési szolgáltatásban, ahol a savkoncentráció a víz elpárologtatásával nő. A rendszer koncentrált végén lévő hőcserélő csövek magasabb savkoncentrációt és nagyobb lebomlási sebességet látnak, mint a híg végén lévő csövek.
Az oxidáló szennyeződések hatása
A lebomlási sebességet felgyorsítják a kénsavban lévő oxidáló szennyeződések. A salétromsav, a krómsav és a hidrogén-peroxid gyakori szennyeződések, amelyek növelik a sav oxidációs potenciálját. A salétromsav néhány százaléka is kétszer-háromszorosára növelheti a lebomlási sebességet.
A szennyeződések befolyásolják a fal maximális megengedett hőmérsékletét is. A tiszta kénsavban a küszöb körülbelül 200 fok. Az 5% salétromsavat tartalmazó kénsavban a küszöb körülbelül 170 fok. A 10% salétromsavat tartalmazó kénsavban a küszöb körülbelül 150 fok.
A megengedett falhőmérséklet számszerűsítése
Az alábbi táblázat összefoglalja a maximálisan megengedhető falhőmérsékletet különböző kénsav üzemi feltételek mellett, a szükséges 10 éves élettartam alapján.
| Savkoncentráció | Oxidáló szennyeződések | Maximális megengedett falhőmérséklet | Lebomlási sebesség határértéken | Javasolt csőfalvastagság |
|---|---|---|---|---|
| 15% H2SO4 | Egyik sem | 220 fok | 0,05 mm/év | 0,8 mm |
| 30% H2SO4 | Egyik sem | 210 fok | 0,06 mm/év | 0,8 mm |
| 50% H2SO4 | Egyik sem | 200 fok | 0,07 mm/év | 0,8 mm |
| 70% H2SO4 | Egyik sem | 190 fok | 0,08 mm/év | 0,8 mm |
| 98% H2SO4 | Egyik sem | 180 fok | 0,10 mm/év | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 5% HNO3 | 170 fok | 0,10 mm/év | 1,0 mm |
| 50% H2SO4 | 10% HNO3 | 150 fok | 0,12 mm/év | 1,0 mm |
| 98% H2SO4 | 5% HNO3 | 150 fok | 0,15 mm/év | 1,2 mm |
A maximálisan megengedhető falhőmérséklet értékek 10 év szükséges élettartamot és 0,3 mm megengedett legkisebb falvastagságot feltételeznek. A lebomlási sebességek a kénsav szolgáltatásból és laboratóriumi vizsgálatokból származó helyszíni adatokon alapulnak.
A mechanikai stressz kölcsönhatás
A maximálisan megengedhető falhőmérsékletet befolyásolja a cső mechanikai igénybevétele. A termikus igénybevétel és a nyomásfeszültség kombinációja csökkenti a megengedett hőmérsékletet, mivel a lebomlási sebesség a feszültséggel nő.
A mechanikai igénybevételnek két hatása van. Először is, a feszültség növeli a sav diffúziós sebességét a PTFE-be azáltal, hogy kinyitja a polimer amorf régióit. Másodszor, a feszültség csökkenti a cső mechanikai szilárdságát, ami csökkenti a megengedhető falveszteséget a szakadás előtt.
A feszültséghatás különösen fontos a cső-cs-lemez csatlakozásainál, ahol a legnagyobb a feszültségkoncentráció. A maximális megengedett falhőmérséklet a csatlakozásnál jellemzően 10-20 fokkal alacsonyabb, mint a csőtestben.
Tervezési jellemzők, amelyek csökkentik a fal hőmérsékletét
Számos tervezési jellemző csökkenti a csőfal hőmérsékletét adott hőterhelés mellett.
Nagyobb felület.A nagyobb felület csökkenti a hőáramot, ami csökkenti a fal hőmérsékletét. A felület 50%-os növelése körülbelül 33%-kal csökkenti a hőáramot és a falhőmérsékletet.
Vékonyabb csőfal.A vékonyabb fal csökkenti a hőellenállást és a fal hőmérsékletét ugyanazon hőáram mellett. Egy 0,5 mm-es fal hőállósága fele akkora, mint az 1,0 mm-es falé.
Nagyobb vezetőképességű csőanyag.A 0,5 W/m·K hővezető képességű töltött PTFE-keverék falának hőállósága fele akkora, mint a szűz PTFE.
Magasabb folyamatáramlási sebesség.A nagyobb áramlási sebesség növeli a folyamat{0}}oldali film együtthatóját és csökkenti a fal hőmérsékletét.
Nagyobb szolgáltatási oldali áramlási sebesség-.A nagyobb gőz- vagy melegvízsebesség növeli a szervizoldali fólia együtthatóját, és csökkenti a fal hőmérsékletét.
Áramláselosztás fejléce.Az áramláselosztó fej egyenletes áramlást biztosít a csőkötegben, ami megakadályozza a helyi forró pontok kialakulását.
Csőanyagok összehasonlítása a magas{0}}hőmérsékletű kénsav szolgáltatáshoz
Az alábbi táblázat összefoglalja a maximálisan megengedhető falhőmérsékletet és a különböző PTFE csőanyagok élettartamát 98%-os kénsavas üzemben 1,5 W/cm² hőáram mellett.
| Cső anyaga | Hővezetőképesség | Falhőmérséklet 1,5 W/cm² | Élettartam 180 fokban | Élettartam 200 fokon | Élettartam 220 fokban |
|---|---|---|---|---|---|
| Szűz PTFE | 0.25 W/m·K | 210 fok | 10-15 év | 5-8 év | 2-3 év |
| Nagy{0}}kristályosságú PTFE | 0.26 W/m·K | 205 fok | 12-18 év | 6-10 év | 3-4 év |
| Grafittal{0}}töltött PTFE | 0.50 W/m·K | 165 fok | 15-20 év | 10-15 év | 5-8 év |
| Szén{0}}töltött PTFE | 0.65 W/m·K | 150 fok | 15-20 év | 12-18 év | 8-12 év |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 fok | 8-12 év | 4-6 év | 1-2 év |
Az élettartam értékek helyszíni adatokon és laboratóriumi vizsgálatokon alapuló becslések. A tényleges élettartam a savas kémiától, a mechanikai igénybevételtől és a működési gyakorlattól függően változik.
Specifikációs paraméterek a kénsav szolgáltatáshoz
A kénsav szolgáltatáshoz PTFE hőcserélőt előíró berendezésmérnököknek meg kell erősíteniük a következő paramétereket a szállítóval.
Savkoncentráció.Adja meg a maximális koncentrációt és a várható tartományt.
Oxidáló szennyeződések.Adja meg a salétromsav, krómsav, hidrogén-peroxid vagy más oxidáló anyagok koncentrációját.
Üzemi hőmérséklet.Adja meg a maximális üzemi hőmérsékletet és a várható hőmérsékleti profilt.
Hőterhelés és felület.Adja meg a hőterhelést és a szükséges felületet.
Hőáram.Adja meg a maximális megengedett hőáramot a falhőmérséklet határértéke alapján.
A cső falvastagsága.Adja meg a cső falvastagságát a hőáram és a megengedett falhőmérséklet alapján.
Cső anyaga.Adja meg a cső anyagát a fal hőmérséklete és a lebomlási sebesség alapján.
Élettartam követelmény.Adja meg a várható élettartamot és a csere ütemezését.
Hőmérséklet figyelés.Adja meg a hőmérséklet-érzékelőket és a falhőmérséklet követésének felügyeleti módszerét.
A falhőmérséklet és az élettartam-követelmények összehangolása
A PTFE hőcserélő csövek maximális megengedett falhőmérséklete kénsav üzemben a savkoncentrációtól, az oxidáló szennyeződésektől és a szükséges élettartamtól függ. A 180-200 fokos küszöb alatt a lebomlási sebesség lassú, a cső élettartamát mechanikai tényezők határozzák meg. A küszöbérték felett a lebomlási sebesség exponenciálisan növekszik, és a cső élettartama a hőmérséklet emelkedésével gyorsan csökken.
A falhőmérsékletet az élettartam követelménye és a teljes birtoklási költség alapján kell megválasztani. Az alacsonyabb falhőmérséklet nagyobb felületet vagy nagyobb vezetőképességű csőanyagot igényel, ami növeli a tőkeköltséget. De az alacsonyabb falhőmérséklet meghosszabbítja a cső élettartamát és csökkenti a karbantartási költségeket.
A PTFE hőcserélő opciókat értékelő kénsav szerviz létesítményeknél a falhőmérsékletet a közbeszerzési dokumentumokban meg kell határozni, és az üzembe helyezéskor ellenőrizni kell. A gyártó által megadott alapértelmezett konfigurációt inkább a tömörségre, mint az élettartamra lehet optimalizálni, és a kapott falhőmérséklet meghaladhatja a degradációs küszöböt.
A PTFE hőcserélő kénsavra vagy más korrozív szolgáltatásra vonatkozó specifikációit értékelő berendezésmérnökök és beszerzési szakértők tervezési felülvizsgálatot kérhetnek, amely kiterjed a savkoncentrációra, az oxidáló szennyeződésekre, az üzemi hőmérsékletre, a hőáramra, a csőfalvastagságra és a csőanyagra, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az egység megfelel-e a létesítmény tényleges üzemi feltételeinek és élettartam-követelményeinek.
