Il problema della distruzione additiva
I bagni di ramatura acida contengono additivi organici-brillantanti, livellanti e agenti bagnanti-che sono essenziali per produrre depositi lisci e brillanti. Questi additivi sono termicamente sensibili. La loro degradazione accelera rapidamente sopra i 50 gradi. Tuttavia, la bobina di immersione riscaldata a vapore-che mantiene il bagno a 25-30 gradi ha una temperatura della parete del tubo molto più elevata, in genere 80-100 gradi per una bobina metallica.
Ogni litro di bagno che circola oltre la superficie calda della bobina metallica subisce un impulso termico che distrugge una frazione del suo contenuto di additivo. Gli additivi si decompongono in residui oleosi che contaminano il bagno e devono essere rimossi mediante trattamento al carbone. La continua distruzione richiede un continuo rifornimento di additivi, aumentando i costi chimici e creando un onere di manutenzione.
Uno scambiatore di calore in PTFE funziona con una temperatura della parete esterna significativamente inferiore rispetto a uno scambiatore metallico alla stessa pressione del vapore. La temperatura della parete più bassa riduce il tasso di decomposizione termica dell'additivo, prolungando la durata dell'additivo e riducendo il consumo di sostanze chimiche.
La differenza di temperatura della parete
La temperatura della parete esterna di una batteria ad immersione riscaldata a vapore- è determinata dalla temperatura di saturazione del vapore, dal coefficiente di trasferimento del calore sul lato del processo e dalla conduttività termica della parete del tubo. In una bobina metallica, la resistenza termica della parete del tubo è trascurabile. La temperatura della superficie esterna si avvicina alla temperatura interna del vapore, moderata solo dal coefficiente del film lato processo-. Per vapore da 3 barg a 143 gradi in un bagno di rame acido a 25 gradi, la temperatura della parete esterna del tubo metallico è di circa 80-95 gradi.
In una bobina in PTFE, la resistenza termica della parete del tubo è significativa. La temperatura scende di 20-30 gradi attraverso la parete in PTFE da 1,0 mm. La temperatura della superficie esterna per la stessa pressione del vapore e condizioni del bagno è di circa 55-65 gradi, una riduzione di 20-35 gradi rispetto all'equivalente metallico.
Questa riduzione di 20-35 gradi pone la temperatura della parete del PTFE molto più vicina alla temperatura del bagno e più lontana dalla soglia di degradazione dell'additivo. Il tasso di distruzione termica additiva, che segue la cinetica di Arrhenius con un'energia di attivazione di circa 50-80 kJ/mol, è ridotto del 50-80% rispetto alla bobina metallica.
| Parametro termico | Bobina in acciaio inossidabile | Bobina in titanio | Scambiatore di calore in PTFE |
|---|---|---|---|
| Temperatura di saturazione del vapore a 3 barg (gradi) | 143 | 143 | 143 |
| Conduttività termica della parete del tubo (W/m·K) | 16 | 22 | 0.25 |
| Caduta di temperatura attraverso la parete del tubo (gradi) | < 2 | < 1 | 20-30 |
| Temperatura della parete esterna (gradi) | 80-95 | 85-98 | 55-65 |
| Tasso relativo di degradazione dell'additivo | 1.0 (base) | 0.9-1.1 | 0.2-0.5 |
| Consumo annuo di sbiancante (relativo) | 1.0 | 0.95 | 0.4-0.6 |
L’estensione additiva della vita
Il ridotto tasso di degradazione dell'additivo prolunga la durata di ogni aggiunta di brillantante e livellante. Le concentrazioni degli additivi nel bagno rimangono più stabili nel tempo. La frequenza del trattamento del carbonio per rimuovere i prodotti di decomposizione è ridotta. Il bagno funziona più vicino al suo equilibrio additivo ottimale per una frazione maggiore della sua vita operativa.
Il vantaggio economico include la riduzione degli acquisti di additivi-tipicamente il costo chimico più elevato nella placcatura in rame acido-e la riduzione dei costi di trattamento del carbonio. Per una linea di ramatura acida ad alto volume-, la riduzione annuale dei costi chimici derivanti dalla conversione del PTFE può superare i 15.000-30.000 dollari per serbatoio.
Il vantaggio del processo è altrettanto importante. Concentrazioni di additivi più stabili producono proprietà di deposito più costanti-luminosità, duttilità e livellamento. La riduzione dell'accumulo dei prodotti di decomposizione riduce il rischio di difetti di deposito che causano scarti e rilavorazioni.
La riduzione dei sottoprodotti
Quando gli additivi organici si decompongono su una superficie metallica calda, i prodotti della decomposizione includono residui oleosi, acidi organici e specie polimeriche. Questi sottoprodotti interferiscono con il processo di placcatura. I residui oleosi formano una pellicola superficiale che provoca buchi. Gli acidi organici modificano il pH del bagno. Le specie polimeriche si incorporano nel deposito, riducendone la duttilità.
La temperatura più bassa delle pareti del PTFE non solo riduce la quantità totale di prodotti di decomposizione, ma sposta anche il percorso di decomposizione. A temperature più basse, gli additivi subiscono una decomposizione meno completa, producendo meno sottoprodotti più dannosi. I prodotti di decomposizione che si formano hanno maggiori probabilità di essere volatili e di sfuggire al bagno, anziché accumularsi come residui non-volatili.
Riepilogo
Uno scambiatore di calore in PTFE riduce la degradazione termica degli additivi organici nella ramatura acida operando con una temperatura della parete esterna inferiore di 20-35 gradi rispetto a uno scambiatore metallico equivalente. La temperatura più bassa delle pareti, conseguenza della resistenza termica del PTFE, riduce il tasso di decomposizione dell'additivo del 50-80%. Il consumo di additivi diminuisce, la frequenza del trattamento del carbonio viene ridotta e la qualità del deposito diventa più costante. Il risparmio annuale sui costi chimici derivante dalla prolungata durata degli additivi è una componente significativa del business case della conversione del PTFE.
Il supporto tecnico per le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE nei bagni galvanici sensibili agli additivi- è disponibile previa presentazione della chimica del bagno, della temperatura operativa, dei tassi attuali di consumo di additivi e della pressione del vapore.
