Le composizioni acide miste che definiscono i confini
I sistemi di recupero di acidi misti gestiscono diverse combinazioni di acidi e la selezione del materiale dipende da quale combinazione è presente.
Miscele nitriche-fluoridriche.Questi vengono utilizzati per il decapaggio dell'acciaio inossidabile e l'incisione del titanio. L'acido nitrico fornisce il potenziale ossidante e l'acido fluoridrico fornisce l'attività del fluoro. La miscela è aggressiva per la maggior parte dei metalli e per molte ceramiche. Il PTFE resiste alla miscela a tutte le concentrazioni e temperature entro il suo intervallo. Il carburo di silicio resiste alla miscela a temperature fino a 80 gradi, ma il fluoro attacca il carburo di silicio a temperature più elevate.
Miscele solforiche-fluoridriche.Questi sono utilizzati per l'incisione dell'alluminio e dell'incisione del vetro. L'acido solforico fornisce la forza acida e l'acido fluoridrico fornisce l'attività del fluoro. Il PTFE resiste alla miscela a tutte le concentrazioni e temperature. Il carburo di silicio resiste alla miscela a temperature fino a 60 gradi, ma il fluoro attacca il carburo di silicio a temperature più elevate.
Miscele nitrico-solforiche.Questi vengono utilizzati per il decapaggio e la passivazione dei metalli. La miscela è fortemente ossidante e il potenziale ossidante aumenta con la concentrazione di acido nitrico. Il PTFE resiste alla miscela a tutte le concentrazioni e temperature. Il carburo di silicio resiste alla miscela a temperature fino a 100 gradi, ma il potenziale ossidante può attaccare la fase limite del grano nel carburo di silicio.
Il divario di conduttività termica
Il carburo di silicio ha una conduttività termica di circa 120 W/m·K, rispetto a 0,25 W/m·K del PTFE. Il rapporto è di circa 480:1.
Per uno scambiatore di calore che eroga 60 kW in un sistema di recupero di acido misto a 70 gradi, un'unità in carburo di silicio richiede circa 3 m² di superficie, sulla base di un coefficiente di trasferimento termico complessivo di 1.000 W/m²·K e una differenza di temperatura media logaritmica di 20 gradi. Un'unità in PTFE per lo stesso servizio richiede circa 15 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 5 volte più grande dell'unità in carburo di silicio. 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.
L'attacco del fluoro alla ceramica
Il fluoro nei sistemi di recupero di acidi misti attacca la ceramica attraverso un meccanismo diverso dall'attacco sui metalli. Il fluoruro reagisce con il biossido di silicio o l'allumina nella ceramica, formando composti di fluoruro solubili che dissolvono la ceramica. La velocità di attacco dipende dalla concentrazione di fluoro, dalla temperatura e dalla specifica composizione ceramica.
Il carburo di silicio ha una migliore resistenza al fluoro rispetto alle ceramiche a base di allumina- perché i grani di carburo di silicio sono legati con un nitruro di silicio o una matrice di carburo di silicio che è più resistente al fluoro. Tuttavia, la fase al confine del grano può essere attaccata dal fluoro a temperatura elevata e l’attacco indebolisce la ceramica e alla fine ne provoca la rottura.
Il PTFE è resistente al fluoro a tutte le concentrazioni e temperature all'interno del suo intervallo di servizio. I legami carbonio-fluoro non vengono attaccati dal fluoro e la struttura polimerica non viene degradata dall'ambiente chimico. Questo è il motivo principale per cui il PTFE è specificato per i sistemi di recupero di acidi misti con elevate concentrazioni di fluoruro.
Confronto tra i due materiali nel recupero di acidi misti
La tabella seguente riassume le caratteristiche prestazionali e di costo degli scambiatori di calore in PTFE e carburo di silicio nel servizio di recupero acido misto a 70 gradi con acido nitrico al 10% e acido fluoridrico al 3%.
| Caratteristica | Scambiatore di calore al carburo di silicio | Scambiatore di calore in PTFE | Vantaggio |
|---|---|---|---|
| Conduttività termica | 120 W/m·K | 0.25 W/m·K | Carburo di silicio |
| Coefficiente complessivo di scambio termico | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Carburo di silicio |
| Superficie necessaria per 60 kW | 3 m² | 15 m² | Carburo di silicio |
| Resistenza chimica alla miscela nitrica-fluoridrica | Buono a 70 gradi | Eccellente | PTFE |
| Resistenza chimica al fluoro | Moderare | Eccellente | PTFE |
| Temperatura massima di esercizio | 80 gradi (con fluoro) | 260 gradi | PTFE |
| Resistenza meccanica | Alto | Moderare | Carburo di silicio |
| Resistenza agli shock termici | Basso | Alto | PTFE |
| Resistenza agli urti meccanici | Basso | Alto | PTFE |
| Riparabilità | Limitato | Bene | PTFE |
| Durata in servizio con acido misto | 4–6 anni | 10-15 anni | PTFE |
| Costo di capitale per il servizio da 60 kW | $48,000 | $42,000 | PTFE |
| Costo di installazione | $6,000 | $4,000 | PTFE |
| Costo di manutenzione annuale | $5,000 | $2,000 | PTFE |
| Costo totale di cinque-anni | $109,000 | $72,000 | 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 la ceramica è la scelta migliore
La ceramica è la scelta migliore in diverse applicazioni specifiche.
Servizio a basso-fluoruro.Quando la concentrazione di fluoro è inferiore all'1%, il tasso di attacco del fluoro ceramico è basso e la durata è prolungata. In questo caso, la maggiore conduttività termica del carburo di silicio riduce la superficie richiesta e il costo di capitale.
Installazioni con vincoli di spazio-.Quando lo spazio disponibile è molto limitato, l'unità più piccola in carburo di silicio può essere l'unica opzione fattibile. L'unità PTFE richiederebbe 5 volte la superficie, che potrebbe non rientrare nello spazio disponibile.
Servizio ad alta-temperatura senza fluoro.Quando l'acido misto non contiene fluoro e la temperatura è superiore a 100 gradi, il carburo di silicio mantiene la sua forza meccanica e resistenza chimica, mentre il PTFE si ammorbidisce e perde forza sopra i 200 gradi.
Servizio ad alta-purezza.Il carburo di silicio non rilascia composti organici nel fluido di processo, il che lo rende adatto per applicazioni ad elevata-purezza in cui la lisciviazione organica dal PTFE rappresenta un problema.
Servizio abrasivo.Il carburo di silicio ha una durezza e una resistenza all'usura superiori rispetto al PTFE, il che lo rende adatto al servizio con solidi sospesi che potrebbero abradere la superficie dello scambiatore di calore.
Quando il PTFE è la scelta migliore
Il PTFE è la scelta migliore in diverse applicazioni specifiche.
Servizio ad alto-fluoro.Il PTFE è resistente al fluoro a tutte le concentrazioni, mentre il carburo di silicio viene attaccato dal fluoro a temperature elevate.
Servizio di ciclismo termale.Il PTFE ha una resistenza agli shock termici maggiore rispetto al carburo di silicio, il che lo rende adatto per servizi con frequenti sbalzi di temperatura.
Servizio impatto meccanico.Il PTFE è più resistente agli urti meccanici rispetto al carburo di silicio, il che lo rende adatto per installazioni in cui lo scambiatore di calore può essere soggetto a vibrazioni o manipolazione.
Servizio riparabile.Gli scambiatori di calore in PTFE possono essere riparati in loco da un tecnico qualificato, riducendo così i tempi di fermo e la perdita di produzione.
Servizio con grande carico termico.Per carichi termici elevati, il costo di capitale inferiore del PTFE diventa più significativo e la superficie maggiore è meno vincolante.
Caratteristiche di progettazione che prolungano la durata
Numerose caratteristiche di progettazione prolungano la durata operativa degli scambiatori di calore in PTFE e ceramica nel servizio di recupero di acidi misti.
Temperatura operativa inferiore.Riducendo la temperatura di esercizio si riduce l'attacco del fluoro sulla ceramica e la diffusione dell'acido nel PTFE.
Concentrazione di fluoro inferiore.Riducendo la concentrazione di fluoro si riduce l'attacco alla ceramica. La concentrazione di fluoro deve essere monitorata continuamente e mantenuta al di sotto della soglia per il materiale ceramico specifico.
Controllo della velocità del flusso.Il mantenimento di una velocità di flusso moderata riduce lo spessore dello strato limite e la concentrazione di fluoruro sulla superficie del tubo.
-disposizioni di pulizia in atto.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.
Monitoraggio della temperatura.I sensori di temperatura all'ingresso e all'uscita dello scambiatore di calore consentono di monitorare le prestazioni di trasferimento del calore, consentendo il rilevamento tempestivo di incrostazioni o degrado.
Parametri di specifica per il recupero di acidi misti
I tecnici delle apparecchiature che valutano gli scambiatori di calore in PTFE e ceramica per il recupero di acidi misti devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Composizione acida mista.Specificare le concentrazioni di acido nitrico, acido solforico, acido fluoridrico e qualsiasi altro componente.
Temperatura operativa.Specificare la temperatura operativa massima e il profilo di temperatura previsto.
Concentrazione di fluoro.Specificare la concentrazione massima di fluoro e il metodo di monitoraggio.
Solidi sospesi.Specificare la concentrazione e la dimensione delle particelle di eventuali solidi sospesi nell'acido.
Carico termico e area superficiale.Specificare il carico termico e la superficie richiesta per ciascuna opzione di materiale.
Vincoli di spazio.Specificare lo spazio disponibile e l'ingombro massimo consentito.
Capacità di manutenzione.Specificare la capacità di manutenzione dell'impianto, inclusa la capacità di riparare lo scambiatore di calore in loco.
Requisito di durata utile.Specificare la durata prevista e il programma di sostituzione.
Abbinamento della selezione del materiale alle condizioni di servizio dell'acido misto
La scelta tra scambiatori di calore in PTFE e ceramica nel recupero di acidi misti dipende dalla concentrazione di fluoruro, dalla temperatura, dai vincoli di spazio e dai requisiti di durata. La ceramica ha una conduttività termica più elevata e richiede una superficie inferiore, ma è suscettibile all'attacco del fluoro e allo shock termico. Il PTFE ha una conduttività termica inferiore e richiede una superficie maggiore, ma è resistente al fluoro e allo shock termico.
La decisione di selezione dovrebbe basarsi su un'analisi specifica della struttura- che incorpori il costo di capitale, il costo di installazione, 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 recupero di acidi misti 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 sulle prestazioni termiche o sul costo di capitale. Un'unità ceramica con una conduttività termica più elevata può avere un costo di vita più elevato se la concentrazione di fluoro è elevata e l'unità richiede una sostituzione frequente.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per il recupero di acidi misti o altri servizi corrosivi possono richiedere una revisione del progetto riguardante la composizione dell'acido misto, la temperatura operativa, la concentrazione di fluoruro, i solidi sospesi e i vincoli di spazio per confermare che la selezione del materiale corrisponde alle effettive condizioni di servizio e alla struttura dei costi della struttura.
