Το πρόβλημα του υδροφθορικού οξέος
Οι εργασίες χημικής άλεσης χρησιμοποιούν χαρακτικά με βάση το HF-για την επιλεκτική αφαίρεση μετάλλων από την αεροδιαστημική και τα ιατρικά εξαρτήματα. Τα λουτρά λειτουργούν στους 30-60 βαθμούς με συγκεντρώσεις HF από 5% έως 20%, συχνά αναμεμειγμένα με νιτρικό οξύ. Αυτή η χημεία προσβάλλει σχεδόν κάθε συμβατικό υλικό εναλλάκτη θερμότητας.
Το τιτάνιο, η τυπική επιλογή για πολλές υπηρεσίες οξέων, διαλύεται γρήγορα σε HF. Το ιόν φθορίου σχηματίζει σταθερά σύμπλοκα-φθοριούχου τιτανίου, καταστρέφοντας το φιλμ παθητικού οξειδίου και διαλύοντας το υποκείμενο μέταλλο. Ένας θερμαντήρας εμβάπτισης τιτανίου σε 10% HF στους 50 βαθμούς μπορεί να τρυπήσει μέσα σε εβδομάδες.
Ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι χειρότερος. Το HF επιτίθεται επιθετικά τόσο στο παθητικό στρώμα του οξειδίου του χρωμίου όσο και στη μήτρα του σιδήρου. Οι θερμαντήρες χαλαζία αντιστέκονται χημικά στα HF, αλλά δημιουργούν απαράδεκτους κινδύνους θραύσης σε περιβάλλοντα παραγωγής όπου τα εργαλεία και τα τεμάχια εργασίας συχνά προσκρούουν στο εσωτερικό της δεξαμενής.
Περιορισμοί επιλογής υλικού
Ο ιδανικός εναλλάκτης θερμότητας για χημική άλεση HF πρέπει να πληροί τρία κριτήρια. Η χημική αδράνεια έναντι του HF σε όλες τις συγκεντρώσεις και θερμοκρασίες της διεργασίας δεν είναι-διαπραγματεύσιμη. Απαιτείται μηχανική σκληρότητα επαρκής για το χειρισμό του δαπέδου παραγωγής. Η επαρκής θερμική απόδοση για τη διατήρηση της ομοιομορφίας της θερμοκρασίας του λουτρού χάραξης είναι απαραίτητη.
Μόνο τα φθοροπολυμερή ικανοποιούν και τα τρία. Μεταξύ των φθοροπολυμερών, το PTFE προσφέρει το ευρύτερο εύρος θερμοκρασίας και την καλύτερη χημική αντοχή. Το PVDF αντιστέκεται στο HF σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά μαλακώνει πάνω από τους 80 βαθμούς, περιορίζοντας τη χρήση του σε θερμαινόμενα λουτρά.
Πίνακας 1: Απόδοση υλικού εναλλάκτη θερμότητας σε 15% HF στους 55 βαθμούς
| Υλικό | Ρυθμός διάβρωσης | Μηχανική Ανθεκτικότητα | Αναμενόμενη διάρκεια ζωής |
|---|---|---|---|
| SS 316L | >5 mm/έτος | Καλός | Μέρες έως εβδομάδες |
| Titanium Gr.2 | >2 mm/έτος | Καλός | 2-6 εβδομάδες |
| Hastelloy C-276 | 0,5-1,5 mm/έτος | Καλός | 3-8 μηνών |
| Χαλαζίας | <0.01 mm/year | Κακή (εύθραυστη) | Το κάταγμα-περιορίζεται |
| PTFE | <0.001 mm/year | Καλό (ευέλικτο) | Αόριστος |
Το πλεονέκτημα PTFE στην υπηρεσία HF
Το PTFE αποτελείται από δεσμούς άνθρακα-φθορίου που είναι χημικά κορεσμένοι. Τα άτομα φθορίου θωρακίζουν πλήρως τη ραχοκοκαλιά του άνθρακα. Το HF δεν μπορεί να επιτεθεί στο PTFE επειδή το πολυμερές είναι ήδη πλήρως φθοριωμένο. Δεν υπάρχει χημική οδός αντίδρασης.
Αυτή η αδράνεια επεκτείνεται σε μίγματα HF-HNO3 που είναι κοινά στη χημική άλεση τιτανίου. Το νιτρικό οξύ οξειδώνει τα μέταλλα αλλά αφήνει το PTFE αμετάβλητο. Ο συνδυασμός δύο επιθετικών οξέων, το καθένα καταστροφικό για διαφορετικά μέταλλα, δεν έχει καμία επίδραση στο φθοροπολυμερές.
Η μηχανική ευελιξία του PTFE παρέχει ένα λειτουργικό πλεονέκτημα έναντι του χαλαζία. Η επαφή του τεμαχίου με ένα πηνίο PTFE μπορεί να προκαλέσει προσωρινή παραμόρφωση αλλά όχι θραύση. Ο σωλήνας απορροφά την ενέργεια κρούσης μέσω ελαστικής παραμόρφωσης, επιστρέφοντας στο αρχικό του σχήμα. Ο χαλαζίας, αντίθετα, θρυμματίζεται υπό παρόμοια κρούση.
Θέματα Θερμικού Σχεδιασμού
Η θερμική αγωγιμότητα του PTFE είναι χαμηλότερη από τα μέταλλα. Ο λεπτός-σωλήνας τοιχώματος από 0,8 mm έως 1,2 mm ελαχιστοποιεί αυτήν την αντίσταση. Η αυξημένη επιφάνεια μέσω διαμορφώσεων πλέγματος πολλαπλών-περασμάτων αντισταθμίζει πλήρως.
Για μια τυπική δεξαμενή άλεσης χημικών που απαιτεί θέρμανση 60 kW, ένας εναλλάκτης θερμότητας PTFE που χρησιμοποιεί σωλήνωση OD 10 mm σε διαμόρφωση πλέγματος 15x20 παρέχει την απαιτούμενη απόδοση με ατμό 4 barg. Το πηνίο καταλαμβάνει περίπου 30% περισσότερο όγκο από ένα μεταλλικό ισοδύναμο. Αυτή η ανταλλαγή-γίνεται αποδεκτή με αντάλλαγμα τη μόνιμη ανοσία για HF.
Αποτελέσματα πεδίου από την Αεροδιαστημική Φρέζα Συστατικών
Μια αεροδιαστημική εγκατάσταση χημικής άλεσης που επεξεργάζεται δομικά εξαρτήματα τιτανίου αντικατέστησε τους εναλλάκτες θερμότητας Hastelloy με μονάδες PTFE αφού κατέγραψε το ετήσιο κόστος αντικατάστασης που ξεπέρασε τα $85.000 σε έξι δεξαμενές χάραξης.
Τα πηνία Hastelloy απέτυχαν λόγω σταδιακής ομοιόμορφης διάβρωσης, με το πάχος του τοιχώματος να μειώνεται κάτω από τα ασφαλή όρια μετά από 6-8 μήνες. Κάθε αντικατάσταση απαιτούσε 16 ώρες διακοπής λειτουργίας για την αποστράγγιση της δεξαμενής, την αφαίρεση του πηνίου, την εγκατάσταση νέου πηνίου και την αναθέρμανση του μπάνιου.
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE που είναι εγκατεστημένοι στις ίδιες δεξαμενές έχουν λειτουργήσει για περισσότερα από τρία χρόνια χωρίς μετρήσιμη υποβάθμιση. Οι ετήσιες επιθεωρήσεις επιβεβαιώνουν αμετάβλητο πάχος τοιχώματος και απόδοση μεταφοράς θερμότητας. Η εγκατάσταση απάλειψε την αντικατάσταση εναλλάκτη θερμότητας που σχετίζεται με HF- από τον προϋπολογισμό συντήρησης.
Περίληψη
Η χημική άλεση με υδροφθορικό οξύ καταστρέφει τους μεταλλικούς εναλλάκτες θερμότητας μέσω ταχείας, προβλέψιμης διάβρωσης. Το τιτάνιο διαλύεται σε εβδομάδες. Ο ανοξείδωτος χάλυβας αποτυγχάνει σε μέρες. Ακόμη και τα κράματα{3}}με υψηλή περιεκτικότητα σε νικέλιο απαιτούν συχνή αντικατάσταση.
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE είναι χημικά άνοσοι σε μίγματα HF και HF-HNO3 σε όλες τις συγκεντρώσεις και θερμοκρασίες διεργασίας. Η πλήρως φθοριωμένη δομή πολυμερούς δεν μπορεί να αντιδράσει με ιόντα φθορίου. Η μηχανική σκληρότητα εξαλείφει τον κίνδυνο θραύσης του χαλαζία.
Για εργασίες χημικής άλεσης που αναζητούν μόνιμες λύσεις θέρμανσης HF, η μηχανική ανάλυση είναι διαθέσιμη με την υποβολή της χημείας λουτρού, της θερμοκρασίας λειτουργίας, των διαστάσεων της δεξαμενής και της διαθέσιμης πίεσης ατμού.
