Il processo cloro{0}}alcalino, che produce cloro e soda caustica, coinvolge alcuni dei fluidi più corrosivi della chimica industriale-salamoia concentrata calda, cloro gassoso umido e sostanze caustiche forti. Gli scambiatori di calore in questi impianti devono resistere a condizioni aggressive.Industria dei cloro-alcali dello scambiatore di calore in PTFEle applicazioni sono diventate essenziali per gestire questi flussi in modo affidabile, poiché l'eccezionale resistenza chimica del fluoropolimero supera la maggior parte dei metalli in questi servizi.
L'ambiente corrosivo delle piante contenenti cloro-alcali
Tre flussi di processo primari dominano la produzione di cloro-alcali (tramite tecnologie a diaframma, mercurio o celle a membrana):
Salamoia (soluzione di cloruro di sodio): saturo o quasi saturo, tipicamente a 60–90 gradi, spesso contenente impurità di calcio, magnesio e solfato. La salamoia calda è altamente corrosiva per l'acciaio al carbonio e per molti acciai inossidabili a causa della vaiolatura e della corrosione interstiziale indotta da cloruri.
Soda caustica (idrossido di sodio): Concentrato (32–50% NaOH) a temperature che vanno da 80 gradi nell'effluente della cella a 150 gradi durante l'evaporazione. La sostanza caustica calda provoca fessurazioni da tensocorrosione negli acciai inossidabili austenitici e attacca rapidamente alluminio e zinco.
Gas di cloro umido: Il cloro saturo di vapore acqueo è estremamente ossidante. Forma acidi cloridrico e ipocloroso che distruggono in breve tempo la maggior parte dei metalli, inclusi l'acciaio inossidabile e il titanio.
Gli scambiatori di calore devono anche gestire il liquido anodico (salamoia esaurita), il condensato di cloro e vari flussi di riciclo. Gli scambiatori di calore metallici convenzionali si guastano rapidamente in uno o più di questi ambienti, rendendo i fluoropolimeri un'alternativa interessante.
Principali applicazioni degli scambiatori di calore in PTFE negli impianti di cloro-alcalini
Gli scambiatori di calore in PTFE (politetrafluoroetilene) sono utilizzati in numerosi servizi critici in cui la resistenza alla corrosione ha priorità rispetto all'efficienza termica. La bassa conduttività termica del PTFE (≈0,25 W/m·K) è compensata da ampie aree superficiali (ad esempio, fasci tubieri multipli o design a serpentina) e dall'eliminazione dei tempi di inattività causati da guasti allo scambiatore metallico.
Preriscaldatori della salamoia
La salamoia grezza deve essere riscaldata alla temperatura operativa della cella (tipicamente 70–85 gradi per celle a membrana) prima dell'elettrolisi. Le serpentine ad immersione o gli scambiatori a fascio tubiero-e-in PTFE sono posizionati direttamente nei serbatoi della salamoia o nei circuiti di ricircolo. La salamoia è spesso satura di cloro e può contenere ipoclorito proveniente dai flussi di ritorno della cella. Il PTFE resiste a tutte queste specie senza vaiolatura o corrosione interstiziale.
Negli impianti con cellule a membrana, la purezza della salamoia è fondamentale per evitare l'avvelenamento delle membrane-a scambio ionico. Gli scambiatori in PTFE non introducono ioni metallici nella salamoia, preservando la durata della membrana. Gli scambiatori metallici (ad esempio il titanio) possono ancora corrodersi in presenza di cloro libero o sotto depositi, mentre il PTFE rimane inerte.
Raffreddatori caustici
L'effluente catolitico delle celle cloro{0}}alcaline contiene il 32–35% di NaOH a circa 80–90 gradi. Questo deve essere raffreddato prima dello stoccaggio o di un'ulteriore concentrazione. Gli scambiatori di calore a fascio tubiero-e-in PTFE vengono utilizzati con l'acqua di raffreddamento sul lato del guscio e la sostanza caustica che scorre attraverso i tubi in PTFE. Il fluoropolimero resiste all'azione caustica a queste temperature senza rischio di infragilimento caustico o di tensocorrosione.
Per caustiche a temperature più elevate (superiori a 110 gradi, come nei circuiti degli evaporatori), sono preferiti scambiatori PFA (perfluoroalcossi) o metalli esotici come il nichel 200 perché il PTFE inizia ad ammorbidirsi leggermente sopra i 120 gradi, sebbene la sua resistenza chimica rimanga intatta. Tuttavia, per il tipico intervallo di 80-90 gradi, il PTFE è pienamente adatto.
Raffreddatori di cloro gassoso umido
Il cloro che esce dalla cella è caldo (80–95 gradi) e saturo di vapore acqueo. Raffreddandosi fa condensare gran parte dell'acqua e riduce la corrosione a valle. Viene utilizzato uno scambiatore a tubo-e-involucro in PTFE, con cloro gassoso umido che passa attraverso tubi in PTFE e acqua di raffreddamento attorno ad essi. La superficie del PTFE non reagisce con il cloro umido né con gli acidi cloridrico e ipocloroso che si formano durante la condensazione.
I raffreddatori metallici per il servizio con cloro umido richiedono leghe costose (ad esempio, tantalio, Hastelloy C‑22) e hanno ancora una durata limitata. Gli scambiatori in PTFE, pur essendo più grandi per lo stesso compito, funzionano per anni senza corrosione. Vengono utilizzati anche come condensatori del cloro dopo la torre di essiccazione, dove il gas è molto più secco ma comunque aggressivo.
Riscaldatore/raffreddatore per declorazione della salamoia
La salamoia esaurita (anolita) in uscita dalla cella contiene cloro disciolto. Prima che la salamoia venga riciclata e risaturata-, il cloro deve essere rimosso (declorazione) tramite vuoto o air stripping. La salamoia viene spesso riscaldata a 85–95 C per favorire la declorazione. Gli scambiatori in PTFE vengono utilizzati per recuperare il calore dalla salamoia declorata in uscita, preriscaldando la salamoia fresca in entrata. Questo circuito di scambio termico gestisce fluidi corrosivi e che possono contenere cloro residuo, rendendo il PTFE la scelta pratica.
Neutralizzazione del flusso di rifiuti
I flussi di scarto acidi o alcalini provenienti da impianti cloro-alcalini vengono neutralizzati prima dello scarico. Gli scambiatori di calore in PTFE vengono talvolta utilizzati per recuperare il calore da queste reazioni di neutralizzazione o per raffreddare l'effluente neutralizzato. L'ampio intervallo di pH (da altamente acido a altamente basico) non influisce sul PTFE.
Perché il PTFE è preferito rispetto ai metalli per questi servizi
| Fluido di processo | Problemi relativi allo scambiatore di metalli | Vantaggio del PTFE |
|---|---|---|
| Salamoia satura calda (con Cl₂, OCl⁻) | Il titanio può corrodersi in presenza di cloro libero; vaiolatura dell'acciaio inossidabile; leghe di nichel costose | PTFE inerte a tutti i componenti della salamoia; nessuna lisciviazione di ioni metallici |
| Soda caustica calda (32–50%, 80–90 gradi) | Cratturazione per tensocorrosione dell'acciaio inossidabile; leghe di nichel costose | Il PTFE resiste alla sostanza caustica; nessun meccanismo di cracking |
| Gas di cloro umido | Sopravvivono solo il tantalio o le leghe speciali; costi e tempi di consegna elevati | PTFE completamente resistente; costo di capitale inferiore (anche se di dimensioni maggiori) |
| Acidi/alcali misti nei flussi di rifiuti | Corrosione rapida dovuta alle variazioni di pH | PTFE inalterato da qualsiasi pH |
Il materiale scelto per molti servizi negli impianti clor-alcalini è il PTFE quando la temperatura operativa non supera i 110 gradi circa. Oltre a ciò, vengono prese in considerazione alternative al PFA o ai metalli, ma la maggior parte delle attività di scambio termico nel trattamento della salamoia, nella cella cellulare e nella gestione del cloro rientrano nell'intervallo di temperatura del PTFE.
Considerazioni sulla progettazione per gli scambiatori in PTFE nel servizio cloro-alcali
Limitazioni di temperatura
Il PTFE ha un limite di utilizzo continuo di circa 260 gradi in applicazioni non--portanti, ma per gli scambiatori di calore in cui il polimero è sottoposto a pressione interna da parte del mezzo di riscaldamento/raffreddamento, i limiti pratici sono inferiori. Per le applicazioni cloro-alcaline, gli scambiatori in PTFE sono generalmente specificati per fluidi inferiori a 110 gradi. Per gli evaporatori caustici che operano a temperature superiori a 120 gradi, vengono utilizzati scambiatori rivestiti in PFA (punto di fusione 305 gradi) o in elastomero perfluorurato-.
Valutazioni della pressione
I tubi in PTFE non sono strutturali. Sono sostenuti da piastre tubiere o avvolti attorno ad un telaio. Le pressioni laterali del guscio- sono limitate a 3–5 bar (manometro) a seconda del design. Anche le pressioni lato tubo-per i fluidi interni (vapore, acqua, glicole) sono moderate. Per le applicazioni ad alta-pressione, vengono utilizzati scambiatori metallici con rivestimenti in PTFE al posto delle unità in PTFE solido.
Riscaldamento a vapore
Quando si utilizza il vapore come mezzo di riscaldamento per salamoia o sostanza caustica, si consiglia vapore a bassa-pressione (tipicamente 1–2 bar, corrispondente a 120–130 gradi) per evitare il surriscaldamento della superficie in PTFE all'interfaccia del-tubo del vapore. Se sono necessarie pressioni del vapore più elevate, viene utilizzato uno scambiatore in PFA o uno scambiatore di calore vapore-acqua-con uno scambiatore secondario in PTFE.
Incrostazione e pulizia
La superficie antiaderente del PTFE-riduce al minimo l'adesione del calcare da sali salamosi o sostanze caustiche. In caso di incrostazioni è possibile pulire lo scambiatore con acido cloridrico diluito (per incrostazioni di carbonati) o mediante agitazione meccanica senza danneggiare i tubi. Anche il lavaggio con vapore o acqua calda è efficace. A differenza degli scambiatori metallici, la pulizia chimica non corrode la superficie del PTFE.
Applicazioni tipiche dello scambiatore PTFE in un impianto di cloro-alcali – Tabella riepilogativa
| Applicazione | Fluido di processo | Intervallo di temperatura | Mezzo di riscaldamento/raffreddamento | Tipo di scambiatore in PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Preriscaldatore della salamoia | Salamoia satura di NaCl, può contenere Cl₂ | 25 gradi → 75–85 gradi | Vapore a bassa-pressione o acqua calda | Bobina o mantello a immersione-e-tubo |
| Raffreddatore caustico | 32–50% NaOH | 85 gradi → 40 gradi | Acqua di raffreddamento | Guscio-e-tubo (caustica nei tubi) |
| Dispositivo di raffreddamento del cloro umido | Gas Cl₂ saturo di H₂O | 80 gradi → 25–30 gradi | Acqua di raffreddamento | Guscio-e-tubo (gas nei tubi) |
| Riscaldatore per la declorazione della salamoia | Salamoia esaurita con Cl₂ residuo | 65 gradi → 85 gradi | Acqua calda o vapore | Bobina ad immersione |
| Raffreddatore in anolita | Anolita (salamoia esaurita + Cl₂) | 85 gradi → 50 gradi | Acqua di raffreddamento | Conchiglia-e-tubo |
| Dispositivo di raffreddamento per la neutralizzazione dei rifiuti | Effluente acido o alcalino | Variabile → 30 gradi | Acqua di raffreddamento | Bobina o mantello a immersione-e-tubo |
Limitazioni e alternative
Sebbene il PTFE sia altamente resistente, non è una soluzione universale. Per le seguenti condizioni, si consigliano materiali alternativi:
Caustico superiore a 110 gradi: PFA o nichel 200 (per il 50% NaOH a 150 gradi). Il PTFE si ammorbidisce e può deformarsi sotto pressione.
High-pressure steam (>5 bar): Scambiatori metallici con rivestimento in fluoropolimero o tubi in PFA con supporto metallico.
Acido a ricircolo della torre di essiccazione del cloro (93–98% H₂SO₄): L'acido solforico ad alta-concentrazione a temperature moderate è accettabile per il PTFE, ma molti stabilimenti utilizzano acciaio inossidabile o acciaio rivestito in Teflon-.
Cloro liquido (anidro): Il PTFE è compatibile, ma in genere viene utilizzato l'acciaio al carbonio perché il cloro liquido non è corrosivo in assenza di acqua.
Conclusione
Gli scambiatori di calore in PTFE sono un cavallo di battaglia nel settore dei cloro-alcalini per servizi corrosivi a temperature{{1}moderate. Gestiscono in modo affidabile salamoia calda, gas di cloro umido e soda caustica a temperature fino a 110 gradi, dove i metalli soffrono di vaiolatura, fessurazione o rapida corrosione generale. La natura antiaderente e chimicamente inerte del PTFE riduce inoltre al minimo le incrostazioni e semplifica la pulizia. Le applicazioni includono preriscaldatori di salamoia, raffreddatori di sostanze caustiche, raffreddatori di cloro gassoso e riscaldatori per declorazione. Sebbene la bassa conduttività termica del PTFE richieda aree di trasferimento del calore più ampie, la riduzione dei tempi di inattività per manutenzione e sostituzione compensa ampiamente. Le prestazioni comprovate dei materiali sono alla base di una produzione chimica affidabile eIndustria dei cloro-alcali dello scambiatore di calore in PTFEle applicazioni continuano ad espandersi man mano che gli operatori degli impianti cercano soluzioni a lungo termine-e prive di corrosione-.
