Το περιβάλλον θειικού σιδήρου
Τα διαλύματα θειικού σιδήρου χρησιμοποιούνται στην αποξήρανση χάλυβα, στην παραγωγή χρωστικής διοξειδίου του τιτανίου και ως χαρακτικά στο φινίρισμα μετάλλων. Το διάλυμα περιέχει τρισθενή σίδηρο σε συγκεντρώσεις 50-200 g/L ως Fe2(SO4)3, με ελεύθερο θειικό οξύ 20-100 g/L, που λειτουργεί στους 60-90 βαθμούς. Ο συνδυασμός της ισχυρής οξειδωτικής δύναμης από το ιόν σιδήρου και την οξύτητα του θειικού οξέος δημιουργεί ένα επιθετικό περιβάλλον για πολλά υλικά.
Αδιαπέρατος γραφίτης-γραφίτης εμποτισμένος με φαινολική ή φουρανική ρητίνη για την εξάλειψη του πορώδους-χρησιμοποιείται ευρέως για εναλλάκτες θερμότητας σε αυτήν την υπηρεσία. Ο ίδιος ο γραφίτης ανθίσταται τόσο στο θειικό οξύ όσο και στο θειικό σίδηρο. Το εμποτιστικό ρητίνης, ωστόσο, δεν μοιράζεται αυτήν την αντίσταση. Με την πάροδο του χρόνου σε υψηλή θερμοκρασία, το διάλυμα θειικού σιδήρου οξειδώνει τη ρητίνη, προκαλώντας προοδευτική αποικοδόμηση.
Το PTFE δεν έχει ρητίνη εμποτισμού για αποικοδόμηση. Ολόκληρο το υλικό είναι χημικά αδρανές σε θειικό σίδηρο και θειικό οξύ. Η σύγκριση μεταξύ αδιαπέραστου γραφίτη και PTFE σε αυτήν την υπηρεσία είναι μεταξύ ενός σύνθετου υλικού του οποίου το συνδετικό υλικό αργά αποτυγχάνει και ενός ομοιογενούς υλικού που δεν μπορεί να αντιδράσει χημικά με το ρευστό διεργασίας.
Μηχανισμός Αποδόμησης Ρητίνης
Ο αδιαπέραστος γραφίτης κατασκευάζεται με εμποτισμό πορώδους γραφίτη με θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη-συνήθως φαινολική ή φουράνιο-υπό κενό και πίεση. Η ρητίνη γεμίζει τους διασυνδεδεμένους πόρους, καθιστώντας το υλικό αδιαπέραστο στα υγρά επεξεργασίας. Ο γραφίτης παρέχει θερμική αγωγιμότητα και χημική αντοχή. Η ρητίνη παρέχει στεγανότητα.
Ο θειικός σίδηρος επιτίθεται στη ρητίνη μέσω οξείδωσης. Το ιόν σιδήρου (Fe3+) είναι ισχυρό οξειδωτικό. Αφαιρεί υδρογόνο από το πολυμερές της ρητίνης, δημιουργώντας ελεύθερες ρίζες που αντιδρούν με το διαλυμένο οξυγόνο για να σχηματίσουν ομάδες καρβονυλίου και καρβοξυλίου. Η οξειδωμένη ρητίνη γίνεται εύθραυστη. Αναπτύσσονται μικρο-ρωγμές. Οι ρωγμές εκθέτουν φρέσκια επιφάνεια ρητίνης στο διάλυμα, διαιωνίζοντας την επίθεση.
Καθώς η ρητίνη αποικοδομείται, αναπτύσσονται αρκετοί τρόποι αστοχίας. Ο δεσμός της ρητίνης-γραφίτη εξασθενεί και τα σωματίδια γραφίτη μπορούν να απελευθερωθούν στη ροή της διαδικασίας. Η απώλεια ρητίνης από την επιφάνεια δημιουργεί επιφανειακό πορώδες, αυξάνοντας την πραγματική επιφάνεια και επιταχύνοντας περαιτέρω προσβολή. Τελικά, το διασυνδεδεμένο πορώδες αναπτύσσεται μέσω του τοιχώματος του σωλήνα και το ρευστό διεργασίας διαρρέει μέσω του τοιχώματος του εναλλάκτη θερμότητας.
| Παράμετρος υποβάθμισης | Αδιαπέραστος γραφίτης (φαινολική ρητίνη) | Αδιαπέραστος Γραφίτης (Ρητίνη Furan) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Δομή συνδετικού/υλικού | Φαινολική ρητίνη σε μήτρα γραφίτη | Ρητίνη φουρανίου σε μήτρα γραφίτη | Ομογενές φθοροπολυμερές |
| Αντοχή στην οξείδωση του συνδετικού υλικού | Κακή (επίθεση από Fe³⁺) | Μέτρια (καλύτερα από τα φαινολικά) | N/A (χωρίς συνδετικό υλικό) |
| Ρυθμός αποικοδόμησης ρητίνης στους 80 βαθμούς σε Fe2(SO4)3 | 0,1-0,3 mm/έτος (επιφανειακή ύφεση) | 0,05-0,15 mm/έτος | 0 |
| Απελευθέρωση σωματιδίων γραφίτη | Ναι (καθώς η ρητίνη υποβαθμίζεται) | Ναι (μειωμένο ποσοστό) | Κανένας |
| Επιφανειακή κατάσταση μετά από 2 χρόνια | Πορώδες, τραχύ | Μέτρια τραχύ | Λείο, αμετάβλητο |
| Διαπερατότητα μετά από 3-5 χρόνια | Μπορεί να αναπτυχθεί μέσω-διαρροών στον τοίχο | Μπορεί να αναπτυχθεί μέσω-διαρροών στον τοίχο | Ποτέ (μηδενική διαπερατότητα) |
| Διάρκεια ζωής σε Fe2(SO4)3 στους 80 βαθμούς (έτη) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
Τα σχόλια για τη διάβρωση-Σύνθετης υποβάθμισης
Η αποικοδόμηση της ρητίνης δημιουργεί επιφανειακό πορώδες. Η πορώδης επιφάνεια είναι μηχανικά πιο αδύναμη από την αρχική επιφάνεια εμποτισμένη με ρητίνη-. Σε ρέον διάλυμα θειικού σιδήρου, η πορώδης επιφάνεια διαβρώνεται πιο γρήγορα από ότι μια λεία, αδιαπέραστη επιφάνεια. Η διάβρωση αφαιρεί την υποβαθμισμένη ρητίνη και τα μερικώς αποκολλημένα σωματίδια γραφίτη, εκθέτοντας φρέσκο υλικό σε χημική επίθεση.
Αυτός ο βρόχος ανάδρασης-χημική επίθεση που δημιουργεί πορώδες, πορώδες επιταχυνόμενη διάβρωση, διάβρωση που εκθέτει φρέσκια επιφάνεια-σημαίνει ότι ο ρυθμός αποικοδόμησης του αδιαπέραστου γραφίτη είναι ταχύτερος από ό,τι θα προέβλεπε μόνο ο ρυθμός χημικής οξείδωσης. Η συνδυασμένη χημειο-μηχανική αποδόμηση καθορίζει την πραγματική διάρκεια ζωής.
Το PTFE δεν έχει τέτοια σχόλια. Η ομοιογενής επιφάνεια του πολυμερούς διαβρώνεται αργά και ομοιόμορφα υπό ροή, χωρίς χημική συμβολή στην απώλεια υλικού. Ο ρυθμός διάβρωσης καθορίζεται αποκλειστικά από την ταχύτητα του ρευστού και τη λειαντικότητα οποιωνδήποτε αιωρούμενων στερεών-παραγόντων που επηρεάζουν και τα δύο υλικά, αλλά συνδυάζονται με χημική επίθεση μόνο στον γραφίτη.
Περίληψη
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE έχουν καλύτερη απόδοση από τον αδιαπέραστο γραφίτη σε θερμά διαλύματα θειικού σιδήρου, επειδή το PTFE είναι ένα ομοιογενές υλικό χωρίς συνδετικό ρητίνης για οξείδωση. Ο αδιαπέρατος γραφίτης βασίζεται σε ένα εμποτιστικό φαινολικής ή φουρανικής ρητίνης που προσβάλλεται προοδευτικά από το οξειδωτικό ιόν σιδήρου, δημιουργώντας επιφανειακό πορώδες που επιταχύνει τη διάβρωση και τελικά οδηγεί σε διαρροή-του τοιχώματος. Το PTFE παρέχει μια λεία, χημικά αδρανή επιφάνεια που υποβαθμίζεται μόνο λόγω αργής μηχανικής διάβρωσης, παρέχοντας διάρκεια ζωής 15+ ετών έναντι 3-8 ετών για αδιαπέραστο γραφίτη.
Η τεχνική υποστήριξη για τις προδιαγραφές του εναλλάκτη θερμότητας PTFE σε εφαρμογές θειικού σιδήρου και άλλων οξειδωτικών διαλυμάτων είναι διαθέσιμη με την υποβολή δεδομένων σύνθεσης διαλύματος, θερμοκρασίας, ταχύτητας ροής και τρέχουσας διάρκειας ζωής του εξοπλισμού.
