La chimica che attacca il titanio
Il titanio resiste all'ipoclorito di sodio attraverso la formazione di un film di ossido passivo stabile in soluzioni neutre e alcaline. La pellicola è il motivo per cui il titanio funziona bene nel servizio di candeggina a temperatura e concentrazione moderate. Il film si rompe quando la temperatura supera i 70 gradi, quando la concentrazione supera il 15% o quando il pH scende al di sotto di 9.
Il tasso di corrosione del titanio in servizio con ipoclorito a 60 gradi e ipoclorito al 12% è generalmente inferiore a 0,05 mm all'anno. A 80 gradi e con una concentrazione di ipoclorito del 15%, la velocità aumenta a 0,3–0,8 mm all'anno. A 90 gradi e con una concentrazione di ipoclorito del 15%, la quantità può superare 1,5 mm all'anno.
La corrosione generalmente inizia alle estremità dei tubi, dove la velocità del flusso è bassa e la temperatura è elevata, e nei giunti tra tubo-e-piastra tubiera, dove la geometria della fessura concentra le specie corrosive. La corrosione si manifesta come vaiolatura, che penetra nella parete del tubo e provoca una perdita.
La chimica che attacca il PTFE
Il PTFE è resistente all'ipoclorito di sodio a tutte le concentrazioni e temperature all'interno del suo intervallo di servizio. I legami carbonio-fluoro non vengono attaccati dall'ipoclorito o dalla soda caustica che stabilizza la candeggina. Il materiale non si corrode e la durata è determinata da fattori meccanici piuttosto che da attacchi chimici.
L'unico meccanismo di degradazione del PTFE in servizio con ipoclorito è la diffusione dell'ipoclorito e della sostanza caustica nelle regioni amorfe del polimero. La diffusione è lenta e l'effetto sulle proprietà meccaniche è modesto. La durata di uno scambiatore di calore in PTFE in servizio con ipoclorito è generalmente di 12-18 anni.
Il divario di conduttività termica
La conduttività termica del titanio è di circa 22 W/m·K, rispetto a 0,25 W/m·K del PTFE. Il rapporto è di circa 88:1.
Per uno scambiatore di calore che eroga 40 kW in ipoclorito al 12% a 60 gradi, un'unità in titanio richiede circa 3 m² di superficie, sulla base di un coefficiente di trasferimento termico complessivo di 800 W/m²·K e una differenza di temperatura media logaritmica di 17 gradi. Un'unità in PTFE per lo stesso servizio richiede circa 12 m² di superficie, sulla base di un coefficiente complessivo di 200 W/m·K e della stessa differenza di temperatura.
L'unità in PTFE è 4 volte più grande dell'unità in titanio. Le dimensioni maggiori aumentano il costo del capitale, la superficie e il volume del fluido. Il flusso di calore inferiore riduce la temperatura della parete del tubo, il che è vantaggioso per il processo, ma la superficie più ampia fornisce anche più superficie per i depositi e richiede più tempo per la pulizia.
Il problema della decomposizione a temperatura elevata
L'ipoclorito di sodio si decompone ad una velocità che aumenta con la temperatura. A 60 gradi, il tasso di decomposizione è di circa il 2% al giorno. A 70 gradi, la tariffa è di circa il 5% al giorno. A 80 gradi, la tariffa è di circa il 10% al giorno. La decomposizione genera gas di cloro e acido cloridrico, che sono corrosivi per entrambi i materiali.
Il tasso di decomposizione limita la temperatura operativa pratica sia per il titanio che per il PTFE. A temperature superiori a 70 gradi, il tasso di decomposizione è sufficientemente elevato da richiedere il rifornimento continuo della concentrazione di ipoclorito e lo scarico del gas di cloro. La scelta del materiale deve tenere conto del gas di cloro e dei prodotti di decomposizione.
Il titanio è particolarmente sensibile all'acido cloridrico generato dalla decomposizione. L'acido abbassa il pH e accelera la corrosione del titanio. Il PTFE è resistente all'acido cloridrico e al cloro gassoso, pertanto la decomposizione non influisce sulla durata del PTFE.
Confronto tra i due materiali nel servizio di candeggina con ipoclorito
La tabella seguente riassume le caratteristiche prestazionali e di costo degli scambiatori di calore in PTFE e titanio in servizio di candeggina con ipoclorito a 60 gradi con ipoclorito di sodio al 12%.
| Caratteristica | Scambiatore di calore in titanio | Scambiatore di calore in PTFE | Vantaggio |
|---|---|---|---|
| Conduttività termica | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Titanio |
| Coefficiente complessivo di scambio termico | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Titanio |
| Superficie necessaria per 40 kW | 3 m² | 12 m² | Titanio |
| Resistenza chimica al 12% di ipoclorito a 60 gradi | Eccellente | Eccellente | Pari |
| Resistenza chimica al 15% di ipoclorito a 80 gradi | Povero | Eccellente | PTFE |
| Resistenza chimica al gas di cloro | Moderare | Eccellente | PTFE |
| Temperatura massima di esercizio | 70 gradi (pratico) | 260 gradi | PTFE |
| Resistenza meccanica | Alto | Moderare | Titanio |
| Resistenza agli shock termici | Moderare | Alto | PTFE |
| Riparabilità | Limitato | Bene | PTFE |
| Vita utile in servizio con ipoclorito | 5–8 anni | 12-18 anni | PTFE |
| Costo capitale per servizio 40 kW | $32,000 | $34,000 | Titanio |
| Costo di installazione | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Costo di manutenzione annuale | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Costo totale di cinque-anni | $76,000 | $55,500 | PTFE |
I valori del costo totale quinquennale presuppongono un valore di produzione di $ 600 l'ora e includono il costo di capitale, il costo di installazione e il costo di manutenzione nell'arco di cinque anni.
Quando il titanio è la scelta migliore
Il titanio è la scelta migliore in diverse applicazioni specifiche.
Servizio a bassa-temperatura.A temperature inferiori a 50 gradi, il titanio resiste all'ipoclorito senza difficoltà e la maggiore conduttività termica riduce la superficie richiesta e il costo di capitale.
Servizio a bassa-concentrazione.A concentrazioni inferiori al 10%, il titanio resiste all'ipoclorito a temperature fino a 60 gradi e la maggiore conduttività termica riduce l'area superficiale richiesta.
Installazioni con vincoli di spazio-.Quando lo spazio disponibile è fortemente limitato, l’unità in titanio più piccola può essere l’unica opzione fattibile. L'unità PTFE richiederebbe 4 volte la superficie, che potrebbe non rientrare nello spazio disponibile.
Servizio ad alta-pressione.Il titanio ha una resistenza meccanica maggiore del PTFE e può resistere a pressioni più elevate. Per il servizio con ipoclorito a pressioni superiori a 10 bar, il titanio può essere l'unica opzione praticabile.
Quando il PTFE è la scelta migliore
Il PTFE è la scelta migliore in diverse applicazioni specifiche.
Servizio ad alta-temperatura.A temperature superiori a 60 gradi, il PTFE resiste ai prodotti di decomposizione meglio del titanio e la durata è più lunga.
Servizio ad alta-concentrazione.A concentrazioni superiori al 12% il PTFE resiste meglio del titanio all'ipoclorito e alle sostanze caustiche.
Esposizione al gas cloro.Se la decomposizione genera cloro gassoso, il PTFE resiste al gas meglio del titanio.
Servizio di ciclismo termale.Il PTFE ha una resistenza agli shock termici maggiore rispetto al titanio, il che lo rende adatto per servizi con frequenti sbalzi di temperatura.
Requisito di lunga durata.Quando si prevede che lo scambiatore di calore abbia una durata operativa di 10 anni o più, il PTFE è la scelta migliore perché resiste all'attacco chimico per un periodo più lungo.
Caratteristiche di progettazione che prolungano la durata
Numerose caratteristiche di progettazione prolungano la durata di servizio degli scambiatori di calore in PTFE e titanio nel servizio di candeggina con ipoclorito.
Temperatura operativa inferiore.La riduzione della temperatura operativa da 70 gradi a 50 gradi riduce il tasso di decomposizione e l'attacco chimico sul materiale dello scambiatore di calore.
Concentrazione inferiore.Riducendo la concentrazione di ipoclorito dal 15% al 10% si riduce l'attacco chimico e la velocità di decomposizione.
Controllo del pH.Mantenere il pH sopra 10 riduce la corrosione del titanio e la decomposizione dell'ipoclorito.
Controllo della velocità del flusso.Il mantenimento di una velocità di flusso moderata riduce lo spessore dello strato limite e la concentrazione dei prodotti di decomposizione sulla superficie del tubo.
Disposizioni di pulizia in vigore-.I collegamenti per l'alimentazione e il ritorno della soluzione detergente consentono di pulire lo scambiatore di calore senza smontarlo, riducendo i tempi di fermo e la perdita di produzione.
Parametri di specifica per il servizio di candeggina con ipoclorito
I tecnici delle apparecchiature che valutano gli scambiatori di calore in PTFE e titanio per il servizio di candeggina con ipoclorito devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Concentrazione di ipoclorito.Specificare la concentrazione massima e l'intervallo previsto.
Temperatura operativa.Specificare la temperatura operativa massima e il profilo di temperatura previsto.
pH.Specificare l'intervallo di pH e il metodo di controllo.
Pressione di esercizio.Specificare la pressione operativa massima.
Carico termico e area superficiale.Specificare il carico termico e la superficie richiesta per ciascuna opzione di materiale.
Tasso di decomposizione.Specificare il tasso di decomposizione previsto e il tasso di generazione del gas di cloro.
Vincoli di spazio.Specificare lo spazio disponibile e l'ingombro massimo consentito.
Requisito di durata utile.Specificare la durata prevista e il programma di sostituzione.
Abbinamento della selezione del materiale alle condizioni di servizio dell'ipoclorito
La scelta tra scambiatori di calore in PTFE e titanio nel servizio di candeggina con ipoclorito dipende dalla temperatura, dalla concentrazione, dal pH e dai requisiti di durata. Il titanio ha una conduttività termica più elevata e richiede una superficie inferiore, ma è suscettibile alla corrosione a temperature elevate e ad alta concentrazione. Il PTFE ha una conduttività termica inferiore e richiede una superficie maggiore, ma è resistente all'ipoclorito a tutte le concentrazioni e temperature.
La decisione di selezione dovrebbe basarsi su un'analisi specifica della struttura- che incorpori il costo di capitale, il costo di manutenzione e l'esposizione alla perdita di produzione. Un semplice modello di foglio di calcolo con questi componenti di costo fornisce le informazioni necessarie per prendere una decisione.
Per gli impianti di servizio con candeggina a base di ipoclorito che valutano le opzioni dello scambiatore di calore, la selezione del materiale dovrebbe basarsi sul costo totale di proprietà per la durata di servizio prevista, non solo sul costo di capitale o sulle prestazioni termiche. Un'unità in titanio con un costo di capitale inferiore può avere un costo di vita più elevato se richiede una sostituzione frequente.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per candeggina a base di ipoclorito o altri servizi ossidanti possono richiedere una revisione del progetto che comprenda la concentrazione di ipoclorito, la temperatura operativa, il pH, la pressione operativa e i requisiti di durata di servizio per confermare che la selezione del materiale corrisponda alle effettive condizioni di servizio e alla struttura dei costi della struttura.
