La zona di corrosione dimenticata
I serbatoi di processo contengono tre zone di corrosione: la zona completamente immersa, lo spazio del vapore sopra il liquido e la zona di schizzi all'interfaccia aria-liquido. La progettazione dello scambiatore di calore si concentra quasi interamente sulla zona immersa-la chimica, la temperatura e le condizioni di flusso del fluido di processo. Si presume che lo spazio del vapore sia benigno. Non lo è.
Sopra un bagno acido caldo, l'aria è satura di nebbia acida e vapore acqueo. La condensa sulle superfici più fredde crea goccioline di acido concentrate. L'ossigeno è abbondante-a differenza della zona immersa, dove l'ossigeno disciolto è limitato. La combinazione di elevata quantità di ossigeno, acido condensante e temperatura fluttuante crea un ambiente più corrosivo del bagno stesso. Le parti non-immerse di uno scambiatore di calore-tubazioni di alimentazione del vapore, linee di ritorno della condensa, staffe di supporto e sezioni superiori delle serpentine ad immersione-si corrodono dall'esterno mentre le sezioni immerse rimangono intatte.
Il PTFE è immune all'attacco acido della fase vapore- per lo stesso motivo per cui è immune all'attacco della fase- liquida: il legame carbonio-fluoro non può essere ossidato, idrolizzato o altrimenti fatto reagire a qualsiasi concentrazione di acido sia in forma liquida che di vapore.
Il meccanismo di corrosione di fase-vapore sui metalli
L'acciaio inossidabile nella zona del vapore sopra un bagno di acido cloridrico o solforico si corrode con un meccanismo fondamentalmente diverso dalla corrosione per immersione. Nel bagno la superficie metallica viene continuamente bagnata. La velocità di corrosione è limitata dalla diffusione dei reagenti attraverso il film liquido. Nella zona del vapore, la superficie passa da bagnata a asciutta mentre si forma ed evapora la condensa.
Durante la fase umida la nebbia acida disciolta nella condensa attacca il film passivo. La concentrazione di acido nella condensa può superare la concentrazione del bagno perché l'acqua evapora preferenzialmente, lasciando dietro di sé goccioline di acido concentrate. Durante la fase secca il residuo acido cristallizza. I cristalli sono igroscopici-assorbono l'umidità dall'aria durante il successivo periodo umido, riformando-l'acido concentrato sull'interfaccia del cristallo-metallo.
Il ciclo umido-a secco e l'effetto di concentrazione creano tassi di corrosione localizzata 2-5 volte superiori rispetto al tasso di immersione continua. La zona splash, dove le goccioline di liquido derivanti dall'agitazione o dal movimento del pezzo bagnano la superficie in modo intermittente, è ancora più aggressiva. Questo è il motivo per cui i riscaldatori metallici spesso si guastano prima all'interfaccia aria-liquido.
| Parametro di corrosione della zona di vapore | Acciaio inossidabile 316L | Titanio grado 2 | PTFE |
|---|---|---|---|
| Tasso di corrosione nella zona del vapore rispetto alla zona immersa | 2-5× | 1.5-3× | 1,0× (zero in entrambi) |
| Concentrazione dell'acido condensato rispetto al bagno | 1,2-2,0× (effetto di evaporazione) | Stesso | Nessun effetto |
| Danno da ciclo bagnato-asciutto | Grave (rottura del film passivo) | Moderare | Nessuno |
| Attacco nella zona Splash | Acuto | Moderare | Nessuno |
| Condizioni della superficie esterna dopo 1 anno | Snocciolato, macchiato di ruggine- | Inciso, scolorito | Invariato |
| Requisiti del rivestimento protettivo | Spesso richiesto (resina epossidica, rivestimento) | A volte richiesto | Non richiesto |
La base dell'immunità al PTFE
Il PTFE non si basa su una pellicola passiva. La sua resistenza alla corrosione è inerente alla struttura molecolare. L'energia di dissociazione del legame carbonio-fluoro di circa 485 kJ/mol supera l'energia disponibile da qualsiasi reazione di condensazione acida alle temperature presenti nella zona del vapore (tipicamente 30-70 gradi). Le molecole di acido, sia in goccioline liquide che sotto forma di vapore, incontrano una superficie che non offre alcun percorso di reazione.
La natura idrofobica del PTFE fornisce un ulteriore meccanismo protettivo. Le goccioline di acido condensate si depositano sulla superficie invece di bagnarla. Rotolano o evaporano come goccioline discrete invece di formare una pellicola conduttiva continua. Il ciclo umido-secco che distrugge le pellicole passive metalliche non influisce sul PTFE perché non c'è pellicola da distruggere.
L'intero scambiatore di calore-tubi immersi, collettori, collegamenti delle tubazioni esterne e telaio di supporto-può essere realizzato in PTFE o componenti appropriati in fluoropolimero, garantendo un'immunità completa in tutte e tre le zone di corrosione.
La conseguenza pratica per la vita del riscaldatore
La corrosione della zona di vapore- dei riscaldatori metallici spesso determina la durata di servizio complessiva. Una bobina in titanio che durerebbe 5 anni in base ai tassi di corrosione per immersione potrebbe guastarsi in 2-3 anni a causa della vaiolatura esterna sulla linea di galleggiamento. Il guasto è inaspettato perché le sezioni immerse appaiono intatte durante l'ispezione. L'attacco esterno è nascosto sopra il livello del liquido, visibile solo a serbatoio scarico.
Gli scambiatori in PTFE non presentano zone di guasto nascoste. Ogni parte dello scambiatore, immersa o esposta, possiede la stessa immunità chimica. La durata è determinata dalla zona più impegnativa-la sezione immersa sotto la pressione del vapore-piuttosto che da un meccanismo di corrosione esterna trascurato.
Riepilogo
Gli scambiatori di calore in PTFE sopravvivono all'esposizione a vapori acidi misti al di sopra del livello del liquido perché l'immunità alla corrosione del fluoropolimero si estende equamente alle fasi liquida e vapore. A differenza dell'acciaio inossidabile e del titanio, che subiscono un attacco esterno accelerato dalla condensazione dell'acido e dal ciclo umido-secco nella zona del vapore, il PTFE non viene influenzato. L'intero scambiatore-immerso, il vapore-esposto e la zona schizzi-condividono la stessa inerzia chimica.
L'eliminazione della corrosione in fase vapore- rimuove un meccanismo di guasto nascosto che spesso determina la durata di servizio dei riscaldatori metallici. Gli scambiatori in PTFE non hanno "zone dimenticate" in cui attacchi esterni possono ridurre inaspettatamente la durata delle apparecchiature.
Il supporto tecnico per le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE in ambienti con vapori poco ventilati o aggressivi è disponibile previa presentazione della chimica del bagno, della temperatura operativa, del progetto di ventilazione del serbatoio e di qualsiasi storia di corrosione esterna sugli attuali riscaldatori.
