Το Παραδοσιακό Υλικό
Ο μόλυβδος χρησιμοποιείται στην υπηρεσία θειικού οξέος για περισσότερο από έναν αιώνα. Η αντοχή του στο θειικό οξύ προκύπτει από το σχηματισμό ενός προστατευτικού φιλμ θειικού μολύβδου που είναι αδιάλυτο στο οξύ. Μόλυβδος-χάλκινος-σωλήνας χαλκού με επίστρωση μολύβδου με περίβλημα μολύβδου μεταλλουργικά συνδεδεμένο στο εξωτερικό-συνδυάζει την αντοχή στη διάβρωση του μολύβδου με τη θερμική αγωγιμότητα του χαλκού. Για δεκαετίες, αυτό ήταν το τυπικό υλικό εναλλάκτη θερμότητας για λουτρά αποξίδωσης θειικού οξέος.
Πολλοί από αυτούς τους{0}}εναλλάκτες χαλκού με επίστρωση μολύβδου παραμένουν σε λειτουργία σήμερα. Αντικαθίστανται καθώς αποτυγχάνουν και το PTFE γίνεται όλο και περισσότερο το υλικό αντικατάστασης. Το ερώτημα δεν είναι αν-ο επικαλυμμένος με μόλυβδο χαλκός λειτουργεί-για κάποιο χρονικό διάστημα. Το ερώτημα είναι πώς οι μηχανισμοί αστοχίας και η διάρκεια ζωής του συγκρίνονται με το PTFE στις σύγχρονες εργασίες αποξήρωσης.
Ο μηχανισμός διάβρωσης-Διάβρωσης
Ο μόλυβδος είναι μαλακός. Η σκληρότητά του σε Brinell είναι περίπου 4-5 HB, σε σύγκριση με 35-50 HB για τον χαλκό και 120-180 HB για τον ανοξείδωτο χάλυβα. Σε ένα λουτρό αποστράγγισης με κυκλοφορία διαλύματος, το οξύ που ρέει διαβρώνει συνεχώς το προστατευτικό φιλμ θειικού μολύβδου. Η ταινία μεταρρυθμίζεται, αλλά κάθε κύκλος διάβρωσης-μεταρρύθμισης καταναλώνει μικρή ποσότητα μολύβδου.
Σε περιοχές με υψηλή ταχύτητα ροής-κοντά στις εκκενώσεις της αντλίας κυκλοφορίας, στα ακροφύσια εξαγωγής ή στους σωλήνες ψεκασμού αέρα-ο ρυθμός διάβρωσης επιταχύνεται. Το περίβλημα μολύβδου λεπταίνει κατά προτίμηση σε αυτές τις θέσεις. Με την πάροδο των ετών λειτουργίας, το περίβλημα μπορεί να λεπτύνει μέχρι το σημείο όπου ο υποκείμενος χαλκός είναι εκτεθειμένος.
Μόλις ο χαλκός έρθει σε επαφή με το θειικό οξύ, διαβρώνεται γρήγορα με την έκλυση υδρογόνου. Η διάλυση του χαλκού υπονομεύει το παρακείμενο περίβλημα μολύβδου. Ο καταρράκτης της αποτυχίας. Ένα μικρό ρήγμα διάβρωσης επεκτείνεται σε μεγάλη διαρροή.
Το PTFE δεν έχει προστατευτική μεμβράνη για διάβρωση. Το υλικό είναι ομοιογενές. η επιφάνειά του είναι ο όγκος του. Η απόξεση με ροή μπορεί να φθείρει αργά την επιφάνεια, αλλά ο ρυθμός είναι τάξεις μεγέθους μικρότερος από τη διάβρωση-του μολύβδου. Οι σωλήνες PTFE στην υπηρεσία αποξήρωσης εμφανίζουν αμελητέα απώλεια τοιχώματος μετά από μια δεκαετία έκθεσης συνεχούς ροής.
Πίνακας 1: Σύγκριση διάρκειας ζωής σε 15% H2SO4 τουρσί στους 70 βαθμούς
| Παράμετρος απόδοσης | Μόλυβδος-Επικαλυμμένος χαλκός | PTFE |
|---|---|---|
| Μηχανισμός αντιδιαβρωτικής προστασίας | Παθητικό φιλμ PbSO4 | Εγγενής σταθερότητα δεσμού C-F |
| Ρυθμός διάβρωσης μεμβράνης σε κυκλοφορούν οξύ (μm/έτος) | 10-50 (εξαρτάται από την ταχύτητα) | 0 (χωρίς ταινία) |
| Κίνδυνος έκθεσης βασικών μετάλλων | Ναι (σε σημεία διάβρωσης) | Κανένα (χωρίς βασικό μέταλλο) |
| Θερμική αγωγιμότητα (W/m·K) | ~40 (σύνθετο) | 0.25 |
| Αντοχή στη θερμική ανακύκλωση | Κακή (υποβάθμιση της διεπαφής μολύβδου-ερπυσμού; χαλκού-μολύβδου) | Εξοχος |
| Διάρκεια ζωής σε συνεχές τουρσί | 3-7 ετών | 15+ έτη |
| Μέθοδος επισκευής | Δεν επισκευάζεται (μόνο για αντικατάσταση) | Αντικατάσταση βύσματος ή σωλήνα πεδίου |
| Περιβαλλοντικές ανησυχίες/χειρισμός | Ο μόλυβδος είναι τοξικός. ρυθμίζεται η διάθεση | Αδρανής; μη-απόρριψη |
Το πρόβλημα της κόπωσης της θερμικής ποδηλασίας
Τα λουτρά τουρσί λειτουργούν συχνά σε ημερήσιο ή εβδομαδιαίο κύκλο: θερμαίνονται στους 70 βαθμούς κατά την παραγωγή, ψύχονται στο περιβάλλον κατά τη διακοπή λειτουργίας. Κάθε κύκλος επιβάλλει θερμική διαστολή και συστολή στον εναλλάκτη θερμότητας.
Ο μόλυβδος και ο χαλκός έχουν σημαντικά διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής: μόλυβδος σε 29 × 10-6 / βαθμό, χαλκός σε 17 × 10-6 / βαθμό. Κατά τη θέρμανση, το περίβλημα μολύβδου διαστέλλεται περισσότερο από τον πυρήνα του χαλκού. Κατά την ψύξη, συστέλλεται περισσότερο. Η διαφορική κίνηση δημιουργεί διατμητική τάση στη διεπιφάνεια του μεταλλουργικού δεσμού.
Σε εκατοντάδες θερμικούς κύκλους, η διεπαφή δεσμού κουράζεται. Αναπτύσσονται μικροί διαχωρισμοί μεταξύ του μολύβδου και του χαλκού. Οι διαχωρισμοί μειώνουν τη μεταφορά θερμότητας-ένα κενό, ακόμη και μικροσκοπικό, προσθέτει θερμική αντίσταση. Δημιουργούν επίσης αποφραγμένες ζώνες όπου το οξύ μπορεί να διεισδύσει και να επιτεθεί απευθείας στον χαλκό, επιταχύνοντας τη διαδικασία αποτυχίας.
Οι σωλήνες PTFE είναι ομοιογενείς-δεν υπάρχει διεπαφή για διαχωρισμό. Η θερμική διαστολή επιτυγχάνεται με ελαστική παραμόρφωση ολόκληρου του τοιχώματος του σωλήνα. Δεν αναπτύσσεται διαφορική πίεση. Δεν υπάρχει μηχανισμός κόπωσης σε κανονικές θερμοκρασίες υπηρεσίας αποξήρωσης.
Ο Συντελεστής Περιβάλλοντος και Ασφάλειας
Ο μόλυβδος είναι ένα τοξικό μέταλλο. Η χρήση του σε βιομηχανικό εξοπλισμό περιορίζεται ολοένα και περισσότερο από περιβαλλοντικούς κανονισμούς και κανονισμούς για την υγεία της εργασίας. Η απόρριψη χρησιμοποιημένου-εναλλάκτη χαλκού με επίστρωση μολύβδου απαιτεί χειρισμό, εκδήλωση και άδεια επεξεργασίας επικίνδυνων αποβλήτων. Το κόστος διάθεσης προσθέτει στο συνολικό κόστος του κύκλου ζωής.
Το PTFE είναι μη-τοξικό και χημικά αδρανές. Η απόρριψη-του-του τέλους ζωής είναι ως μη-μη επικίνδυνα βιομηχανικά απόβλητα. Δεν απαιτείται ειδικός χειρισμός, εκδήλωση ή θεραπεία. Αυτή η διάκριση, αν και δεν είναι ο κύριος τεχνικός παράγοντας, ευθυγραμμίζεται με την τάση εξάλειψης των τοξικών υλικών από τις βιομηχανικές διεργασίες.
Περίληψη
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE διαρκούν περισσότερο από τον επικαλυμμένο με μόλυβδο-χαλκό στην αποξήρανση με θειικό οξύ, επειδή το PTFE εξαλείφει τη διάβρωση-της διάβρωσης της προστατευτικής μεμβράνης μολύβδου, τη θερμική κόπωση της διεπαφής μολύβδου-χάλκινου δεσμού και τους τρόπους προοδευτικής αστοχίας που είναι εγγενείς στην επικαλυμμένη μεταλλική κατασκευή. Ο επικαλυμμένος με μόλυβδο-χαλκός εξυπηρετούσε τον σκοπό του για έναν αιώνα, αλλά η διάρκεια ζωής του 3-7 χρόνια, η αδυναμία επισκευής του στο χωράφι και οι απαιτήσεις απόρριψης τοξικών τον καθιστούν οικονομικά και περιβαλλοντικά κατώτερο από το PTFE για τις σύγχρονες εργασίες τουρσί.
Η μετάβαση από χαλκό με επίστρωση μολύβδου-στο PTFE οφείλεται στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, τη δυνατότητα επισκευής στο πεδίο και την εξάλειψη του χειρισμού τοξικών υλικών. Το μεγαλύτερο αποτύπωμα PTFE που απαιτείται για ισοδύναμο δασμό θερμότητας είναι η μεμονωμένη αντιστάθμιση-σε αυτήν τη μετατροπή.
Η μηχανική ανάλυση για την αναβάθμιση του εναλλάκτη θερμότητας μπάνιου αποστράγγισης είναι διαθέσιμη με την υποβολή της συγκέντρωσης οξέος, της θερμοκρασίας λειτουργίας, των χαρακτηριστικών ροής κυκλοφορίας και της τρέχουσας διάρκειας ζωής του εναλλάκτη και του ιστορικού αστοχίας.
