La temperatura della parete che determina il meccanismo di degrado
Una linea di anodizzazione con acido solforico funzionante a 20 gradi con acido solforico al 15% richiede uno scambiatore di calore per il raffreddamento. La temperatura della parete del tubo è vicina alla temperatura del processo perché il flusso di calore è basso e l'acqua di raffreddamento è solo pochi gradi al di sotto del processo. Il tubo in PTFE funziona a 20–25 gradi, che è molto al di sotto della temperatura alla quale si attiva qualsiasi meccanismo di degradazione. La durata del tubo è determinata da fattori meccanici e la durata è di 15-20 anni.
Un impianto di trattamento chimico che concentra acido solforico a 150 gradi richiede uno scambiatore di calore per il riscaldamento. La temperatura della parete del tubo è determinata dal flusso di calore e dalla resistenza termica della parete del tubo. Per un flusso di calore di 2,0 W/cm² e una parete di 0,8 mm, la temperatura della parete è di circa 215 gradi. A questa temperatura, l'acido solforico attacca il PTFE a una velocità misurabile e la durata del tubo è determinata dalla degradazione chimica piuttosto che da fattori meccanici.
La soglia della temperatura della parete tra questi due regimi è di circa 180–200 gradi per il servizio con acido solforico. Al di sotto di questa soglia, la velocità di degradazione è lenta e la durata del tubo è determinata da fattori meccanici. Al di sopra di questa soglia, la velocità di degradazione aumenta rapidamente e la durata del tubo diminuisce con l'aumentare della temperatura.
Il meccanismo di degradazione chimica sopra la soglia
La degradazione del PTFE in acido solforico caldo avviene attraverso l'ossidazione delle regioni amorfe del polimero. L'acido solforico, soprattutto ad alta concentrazione, è un forte agente ossidante a temperatura elevata. L'acido attacca le estremità della catena e i siti difettosi nelle regioni amorfe, rompendo le catene polimeriche e creando frammenti più piccoli che si dissolvono o vengono trasportati dal fluido di processo.
La velocità di degradazione aumenta esponenzialmente con la temperatura. Un aumento di 10 gradi della temperatura raddoppia circa il tasso di degradazione. La differenza tra 180 gradi e 220 gradi è un fattore 16 nel tasso di degradazione.
Il degrado non è uniforme su tutta la parete del tubo. L'attacco inizia in superficie e si propaga verso l'interno. La superficie diventa ruvida e porosa e la resistenza meccanica diminuisce. La parete del tubo si assottiglia nel tempo e alla fine il tubo si rompe.
L'effetto della concentrazione acida
La velocità di degradazione dipende dalla concentrazione di acido solforico. L'acido solforico diluito (inferiore al 50%) ha un potenziale di ossidazione inferiore rispetto all'acido concentrato (superiore al 90%). La velocità di degradazione dell'acido solforico al 50% a 200 gradi è circa la metà della velocità dell'acido solforico al 98% alla stessa temperatura.
L'effetto di concentrazione è particolarmente importante nel servizio di concentrazione di acido solforico, dove la concentrazione di acido aumenta man mano che l'acqua evapora. I tubi dello scambiatore di calore all'estremità concentrata del sistema presentano una concentrazione di acido più elevata e un tasso di degradazione più elevato rispetto ai tubi all'estremità diluita.
L'effetto dei contaminanti ossidanti
La velocità di degradazione viene accelerata ossidando i contaminanti nell'acido solforico. L'acido nitrico, l'acido cromico e il perossido di idrogeno sono contaminanti comuni che aumentano il potenziale di ossidazione dell'acido. Anche una piccola percentuale di acido nitrico può aumentare la velocità di degradazione di un fattore da due a tre.
I contaminanti influiscono anche sulla temperatura massima consentita della parete. Nell'acido solforico pulito, la soglia è di circa 200 gradi. Nell'acido solforico contenente il 5% di acido nitrico, la soglia è di circa 170 gradi. Nell'acido solforico contenente il 10% di acido nitrico, la soglia è di circa 150 gradi.
Quantificazione della temperatura di parete consentita
La tabella seguente riassume la temperatura massima consentita della parete per diverse condizioni di servizio dell'acido solforico, in base a una durata di servizio richiesta di 10 anni.
| Concentrazione acida | Contaminanti ossidanti | Temperatura massima consentita della parete | Tasso di degradazione al limite | Spessore consigliato della parete del tubo |
|---|---|---|---|---|
| 15% H₂SO₄ | Nessuno | 220 gradi | 0,05 mm/anno | 0,8 mm |
| 30% H₂SO₄ | Nessuno | 210 gradi | 0,06 mm/anno | 0,8 mm |
| 50% H₂SO₄ | Nessuno | 200 gradi | 0,07 mm/anno | 0,8 mm |
| 70% H₂SO₄ | Nessuno | 190 gradi | 0,08 mm/anno | 0,8 mm |
| 98% H₂SO₄ | Nessuno | 180 gradi | 0,10 mm/anno | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 170 gradi | 0,10 mm/anno | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 10% HNO₃ | 150 gradi | 0,12 mm/anno | 1,0 mm |
| 98% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 150 gradi | 0,15 mm/anno | 1,2 mm |
I valori massimi consentiti della temperatura della parete presuppongono una durata operativa richiesta di 10 anni e uno spessore minimo consentito della parete di 0,3 mm. I tassi di degradazione si basano su dati sul campo derivanti dal servizio con acido solforico e da test di laboratorio.
L'interazione dello stress meccanico
La temperatura massima consentita della parete è influenzata dallo stress meccanico sul tubo. La combinazione di stress termico e stress da pressione riduce la temperatura consentita perché il tasso di degradazione aumenta con lo stress.
Lo stress meccanico ha due effetti. Innanzitutto, lo stress aumenta la velocità di diffusione dell'acido nel PTFE aprendo le regioni amorfe del polimero. In secondo luogo, lo stress riduce la resistenza meccanica del tubo, il che riduce la perdita ammissibile della parete prima della rottura.
L'effetto della tensione è particolarmente importante nelle giunzioni del tubo-alla-piastra tubiera, dove la concentrazione della tensione è massima. La temperatura massima consentita della parete in corrispondenza del giunto è generalmente inferiore di 10–20 gradi rispetto a quella del corpo del tubo.
Caratteristiche di progettazione che riducono la temperatura della parete
Diverse caratteristiche di progettazione riducono la temperatura della parete del tubo per un dato carico termico.
Superficie più ampia.Una superficie maggiore riduce il flusso di calore, con conseguente riduzione della temperatura della parete. Un aumento del 50% della superficie riduce il flusso di calore e la temperatura della parete di circa il 33%.
Parete del tubo più sottile.Una parete più sottile riduce la resistenza termica e la temperatura della parete a parità di flusso termico. Una parete da 0,5 mm ha la metà della resistenza termica di una parete da 1,0 mm.
Materiale del tubo con conduttività più elevata.Un composto di PTFE riempito con una conduttività termica di 0,5 W/m·K ha metà della resistenza termica delle pareti del PTFE vergine.
Maggiore velocità del flusso di processo.Una velocità del flusso più elevata aumenta il coefficiente del film-lato del processo e riduce la temperatura della parete.
Maggiore velocità del flusso lato servizio-.Una maggiore velocità del vapore o dell'acqua calda aumenta il coefficiente del film sul lato servizio-e riduce la temperatura della parete.
Intestazione di distribuzione del flusso.Un collettore di distribuzione del flusso garantisce un flusso uniforme attraverso il fascio tubiero, evitando punti caldi localizzati.
Confronto dei materiali dei tubi per il servizio-con acido solforico ad alta temperatura
La tabella seguente riassume la temperatura massima consentita della parete e la durata di servizio per i diversi materiali del tubo in PTFE in servizio con acido solforico al 98% con un flusso di calore di 1,5 W/cm².
| Materiale del tubo | Conducibilità termica | Temperatura della parete a 1,5 W/cm² | Durata utile a 180 gradi | Durata di servizio a 200 gradi | Durata di servizio a 220 gradi |
|---|---|---|---|---|---|
| PTFE vergine | 0.25 W/m·K | 210 gradi | 10-15 anni | 5–8 anni | 2–3 anni |
| PTFE ad alta-cristallinità | 0.26 W/m·K | 205 gradi | 12-18 anni | 6-10 anni | 3–4 anni |
| PTFE riempito di grafite- | 0.50 W/m·K | 165 gradi | 15-20 anni | 10-15 anni | 5–8 anni |
| PTFE-riempito di carbonio | 0.65 W/m·K | 150 gradi | 15-20 anni | 12-18 anni | 8-12 anni |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 gradi | 8-12 anni | 4–6 anni | 1–2 anni |
I valori della durata utile sono stime basate su dati sul campo e test di laboratorio. La durata effettiva varierà in base alla chimica dell'acido, allo stress meccanico e alle pratiche operative.
Parametri di specifica per il servizio di acido solforico
I tecnici delle apparecchiature che specificano uno scambiatore di calore in PTFE per il servizio con acido solforico devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Concentrazione acida.Specificare la concentrazione massima e l'intervallo previsto.
Contaminanti ossidanti.Specificare la concentrazione di acido nitrico, acido cromico, perossido di idrogeno o altre specie ossidanti.
Temperatura operativa.Specificare la temperatura operativa massima e il profilo di temperatura previsto.
Carico termico e area superficiale.Specificare il carico termico e la superficie richiesta.
Flusso di calore.Specificare il flusso di calore massimo consentito in base al limite di temperatura della parete.
Spessore della parete del tubo.Specificare lo spessore della parete del tubo in base al flusso di calore e alla temperatura di parete consentita.
Materiale del tubo.Specificare il materiale del tubo in base alla temperatura della parete e al tasso di degradazione.
Requisito di durata utile.Specificare la durata prevista e il programma di sostituzione.
Monitoraggio della temperatura.Specificare i sensori di temperatura e il metodo di monitoraggio per monitorare la temperatura della parete.
Adattamento della temperatura della parete ai requisiti di durata
La temperatura di parete massima consentita per i tubi degli scambiatori di calore in PTFE nel servizio con acido solforico dipende dalla concentrazione dell'acido, dai contaminanti ossidanti e dalla durata di servizio richiesta. Al di sotto della soglia di 180–200 gradi, la velocità di degradazione è lenta e la durata del tubo è determinata da fattori meccanici. Al di sopra della soglia, la velocità di degradazione aumenta esponenzialmente e la durata del tubo diminuisce rapidamente con l'aumentare della temperatura.
La temperatura della parete deve essere selezionata in base ai requisiti di durata utile e al costo totale di proprietà. Una temperatura della parete più bassa richiede una superficie maggiore o un materiale del tubo con una conduttività più elevata, il che aumenta il costo di capitale. Ma la temperatura della parete più bassa prolunga la durata del tubo e riduce i costi di manutenzione.
Per gli impianti di servizio dell'acido solforico che valutano le opzioni dello scambiatore di calore in PTFE, la temperatura della parete deve essere specificata nei documenti di approvvigionamento e verificata al momento della messa in servizio. La configurazione predefinita fornita dal produttore può essere ottimizzata per la compattezza piuttosto che per la durata, e la temperatura della parete risultante potrebbe superare la soglia di degradazione.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per l'acido solforico o altri servizi corrosivi possono richiedere una revisione del progetto riguardante la concentrazione dell'acido, i contaminanti ossidanti, la temperatura di esercizio, il flusso di calore, lo spessore della parete del tubo e il materiale del tubo per confermare che l'unità sia adatta alle condizioni di servizio effettive e ai requisiti di durata della struttura.
La temperatura della parete che determina il meccanismo di degrado
Una linea di anodizzazione con acido solforico funzionante a 20 gradi con acido solforico al 15% richiede uno scambiatore di calore per il raffreddamento. La temperatura della parete del tubo è vicina alla temperatura del processo perché il flusso di calore è basso e l'acqua di raffreddamento è solo pochi gradi al di sotto del processo. Il tubo in PTFE funziona a 20–25 gradi, che è molto al di sotto della temperatura alla quale si attiva qualsiasi meccanismo di degradazione. La durata del tubo è determinata da fattori meccanici e la durata è di 15-20 anni.
Un impianto di trattamento chimico che concentra acido solforico a 150 gradi richiede uno scambiatore di calore per il riscaldamento. La temperatura della parete del tubo è determinata dal flusso di calore e dalla resistenza termica della parete del tubo. Per un flusso di calore di 2,0 W/cm² e una parete di 0,8 mm, la temperatura della parete è di circa 215 gradi. A questa temperatura, l'acido solforico attacca il PTFE a una velocità misurabile e la durata del tubo è determinata dalla degradazione chimica piuttosto che da fattori meccanici.
La soglia della temperatura della parete tra questi due regimi è di circa 180–200 gradi per il servizio con acido solforico. Al di sotto di questa soglia, la velocità di degradazione è lenta e la durata del tubo è determinata da fattori meccanici. Al di sopra di questa soglia, la velocità di degradazione aumenta rapidamente e la durata del tubo diminuisce con l'aumentare della temperatura.
Il meccanismo di degradazione chimica sopra la soglia
La degradazione del PTFE in acido solforico caldo avviene attraverso l'ossidazione delle regioni amorfe del polimero. L'acido solforico, soprattutto ad alta concentrazione, è un forte agente ossidante a temperatura elevata. L'acido attacca le estremità della catena e i siti difettosi nelle regioni amorfe, rompendo le catene polimeriche e creando frammenti più piccoli che si dissolvono o vengono trasportati dal fluido di processo.
La velocità di degradazione aumenta esponenzialmente con la temperatura. Un aumento di 10 gradi della temperatura raddoppia circa il tasso di degradazione. La differenza tra 180 gradi e 220 gradi è un fattore 16 nel tasso di degradazione.
Il degrado non è uniforme su tutta la parete del tubo. L'attacco inizia in superficie e si propaga verso l'interno. La superficie diventa ruvida e porosa e la resistenza meccanica diminuisce. La parete del tubo si assottiglia nel tempo e alla fine il tubo si rompe.
L'effetto della concentrazione acida
La velocità di degradazione dipende dalla concentrazione di acido solforico. L'acido solforico diluito (inferiore al 50%) ha un potenziale di ossidazione inferiore rispetto all'acido concentrato (superiore al 90%). La velocità di degradazione dell'acido solforico al 50% a 200 gradi è circa la metà della velocità dell'acido solforico al 98% alla stessa temperatura.
L'effetto di concentrazione è particolarmente importante nel servizio di concentrazione di acido solforico, dove la concentrazione di acido aumenta man mano che l'acqua evapora. I tubi dello scambiatore di calore all'estremità concentrata del sistema presentano una concentrazione di acido più elevata e un tasso di degradazione più elevato rispetto ai tubi all'estremità diluita.
L'effetto dei contaminanti ossidanti
La velocità di degradazione viene accelerata ossidando i contaminanti nell'acido solforico. L'acido nitrico, l'acido cromico e il perossido di idrogeno sono contaminanti comuni che aumentano il potenziale di ossidazione dell'acido. Anche una piccola percentuale di acido nitrico può aumentare la velocità di degradazione di un fattore da due a tre.
I contaminanti influiscono anche sulla temperatura massima consentita della parete. Nell'acido solforico pulito, la soglia è di circa 200 gradi. Nell'acido solforico contenente il 5% di acido nitrico, la soglia è di circa 170 gradi. Nell'acido solforico contenente il 10% di acido nitrico, la soglia è di circa 150 gradi.
Quantificazione della temperatura di parete consentita
La tabella seguente riassume la temperatura massima consentita della parete per diverse condizioni di servizio dell'acido solforico, in base a una durata di servizio richiesta di 10 anni.
| Concentrazione acida | Contaminanti ossidanti | Temperatura massima consentita della parete | Tasso di degradazione al limite | Spessore consigliato della parete del tubo |
|---|---|---|---|---|
| 15% H₂SO₄ | Nessuno | 220 gradi | 0,05 mm/anno | 0,8 mm |
| 30% H₂SO₄ | Nessuno | 210 gradi | 0,06 mm/anno | 0,8 mm |
| 50% H₂SO₄ | Nessuno | 200 gradi | 0,07 mm/anno | 0,8 mm |
| 70% H₂SO₄ | Nessuno | 190 gradi | 0,08 mm/anno | 0,8 mm |
| 98% H₂SO₄ | Nessuno | 180 gradi | 0,10 mm/anno | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 170 gradi | 0,10 mm/anno | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 10% HNO₃ | 150 gradi | 0,12 mm/anno | 1,0 mm |
| 98% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 150 gradi | 0,15 mm/anno | 1,2 mm |
I valori massimi consentiti della temperatura della parete presuppongono una durata operativa richiesta di 10 anni e uno spessore minimo consentito della parete di 0,3 mm. I tassi di degradazione si basano su dati sul campo derivanti dal servizio con acido solforico e da test di laboratorio.
L'interazione dello stress meccanico
La temperatura massima consentita della parete è influenzata dallo stress meccanico sul tubo. La combinazione di stress termico e stress da pressione riduce la temperatura consentita perché il tasso di degradazione aumenta con lo stress.
Lo stress meccanico ha due effetti. Innanzitutto, lo stress aumenta la velocità di diffusione dell'acido nel PTFE aprendo le regioni amorfe del polimero. In secondo luogo, lo stress riduce la resistenza meccanica del tubo, il che riduce la perdita ammissibile della parete prima della rottura.
L'effetto della tensione è particolarmente importante nelle giunzioni del tubo-alla-piastra tubiera, dove la concentrazione della tensione è massima. La temperatura massima consentita della parete in corrispondenza del giunto è generalmente inferiore di 10–20 gradi rispetto a quella del corpo del tubo.
Caratteristiche di progettazione che riducono la temperatura della parete
Diverse caratteristiche di progettazione riducono la temperatura della parete del tubo per un dato carico termico.
Superficie più ampia.Una superficie maggiore riduce il flusso di calore, con conseguente riduzione della temperatura della parete. Un aumento del 50% della superficie riduce il flusso di calore e la temperatura della parete di circa il 33%.
Parete del tubo più sottile.Una parete più sottile riduce la resistenza termica e la temperatura della parete a parità di flusso termico. Una parete da 0,5 mm ha la metà della resistenza termica di una parete da 1,0 mm.
Materiale del tubo con conduttività più elevata.Un composto di PTFE riempito con una conduttività termica di 0,5 W/m·K ha metà della resistenza termica delle pareti del PTFE vergine.
Maggiore velocità del flusso di processo.Una velocità del flusso più elevata aumenta il coefficiente del film-lato del processo e riduce la temperatura della parete.
Maggiore velocità del flusso lato servizio-.Una maggiore velocità del vapore o dell'acqua calda aumenta il coefficiente del film sul lato servizio-e riduce la temperatura della parete.
Intestazione di distribuzione del flusso.Un collettore di distribuzione del flusso garantisce un flusso uniforme attraverso il fascio tubiero, evitando punti caldi localizzati.
Confronto dei materiali dei tubi per il servizio-con acido solforico ad alta temperatura
La tabella seguente riassume la temperatura massima consentita della parete e la durata di servizio per i diversi materiali del tubo in PTFE in servizio con acido solforico al 98% con un flusso di calore di 1,5 W/cm².
| Materiale del tubo | Conducibilità termica | Temperatura della parete a 1,5 W/cm² | Durata utile a 180 gradi | Durata di servizio a 200 gradi | Durata di servizio a 220 gradi |
|---|---|---|---|---|---|
| PTFE vergine | 0.25 W/m·K | 210 gradi | 10-15 anni | 5–8 anni | 2–3 anni |
| PTFE ad alta-cristallinità | 0.26 W/m·K | 205 gradi | 12-18 anni | 6-10 anni | 3–4 anni |
| PTFE riempito di grafite- | 0.50 W/m·K | 165 gradi | 15-20 anni | 10-15 anni | 5–8 anni |
| PTFE-riempito di carbonio | 0.65 W/m·K | 150 gradi | 15-20 anni | 12-18 anni | 8-12 anni |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 gradi | 8-12 anni | 4–6 anni | 1–2 anni |
I valori della durata utile sono stime basate su dati sul campo e test di laboratorio. La durata effettiva varierà in base alla chimica dell'acido, allo stress meccanico e alle pratiche operative.
Parametri di specifica per il servizio di acido solforico
I tecnici delle apparecchiature che specificano uno scambiatore di calore in PTFE per il servizio con acido solforico devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Concentrazione acida.Specificare la concentrazione massima e l'intervallo previsto.
Contaminanti ossidanti.Specificare la concentrazione di acido nitrico, acido cromico, perossido di idrogeno o altre specie ossidanti.
Temperatura operativa.Specificare la temperatura operativa massima e il profilo di temperatura previsto.
Carico termico e area superficiale.Specificare il carico termico e la superficie richiesta.
Flusso di calore.Specificare il flusso di calore massimo consentito in base al limite di temperatura della parete.
Spessore della parete del tubo.Specificare lo spessore della parete del tubo in base al flusso di calore e alla temperatura di parete consentita.
Materiale del tubo.Specificare il materiale del tubo in base alla temperatura della parete e al tasso di degradazione.
Requisito di durata utile.Specificare la durata prevista e il programma di sostituzione.
Monitoraggio della temperatura.Specificare i sensori di temperatura e il metodo di monitoraggio per monitorare la temperatura della parete.
Adattamento della temperatura della parete ai requisiti di durata
La temperatura di parete massima consentita per i tubi degli scambiatori di calore in PTFE nel servizio con acido solforico dipende dalla concentrazione dell'acido, dai contaminanti ossidanti e dalla durata di servizio richiesta. Al di sotto della soglia di 180–200 gradi, la velocità di degradazione è lenta e la durata del tubo è determinata da fattori meccanici. Al di sopra della soglia, la velocità di degradazione aumenta esponenzialmente e la durata del tubo diminuisce rapidamente con l'aumentare della temperatura.
La temperatura della parete deve essere selezionata in base ai requisiti di durata utile e al costo totale di proprietà. Una temperatura della parete più bassa richiede una superficie maggiore o un materiale del tubo con una conduttività più elevata, il che aumenta il costo di capitale. Ma la temperatura della parete più bassa prolunga la durata del tubo e riduce i costi di manutenzione.
Per gli impianti di servizio dell'acido solforico che valutano le opzioni dello scambiatore di calore in PTFE, la temperatura della parete deve essere specificata nei documenti di approvvigionamento e verificata al momento della messa in servizio. La configurazione predefinita fornita dal produttore può essere ottimizzata per la compattezza piuttosto che per la durata, e la temperatura della parete risultante potrebbe superare la soglia di degradazione.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per l'acido solforico o altri servizi corrosivi possono richiedere una revisione del progetto riguardante la concentrazione dell'acido, i contaminanti ossidanti, la temperatura di esercizio, il flusso di calore, lo spessore della parete del tubo e il materiale del tubo per confermare che l'unità sia adatta alle condizioni di servizio effettive e ai requisiti di durata della struttura.
La temperatura della parete che determina il meccanismo di degrado
Una linea di anodizzazione con acido solforico funzionante a 20 gradi con acido solforico al 15% richiede uno scambiatore di calore per il raffreddamento. La temperatura della parete del tubo è vicina alla temperatura del processo perché il flusso di calore è basso e l'acqua di raffreddamento è solo pochi gradi al di sotto del processo. Il tubo in PTFE funziona a 20–25 gradi, che è molto al di sotto della temperatura alla quale si attiva qualsiasi meccanismo di degradazione. La durata del tubo è determinata da fattori meccanici e la durata è di 15-20 anni.
Un impianto di trattamento chimico che concentra acido solforico a 150 gradi richiede uno scambiatore di calore per il riscaldamento. La temperatura della parete del tubo è determinata dal flusso di calore e dalla resistenza termica della parete del tubo. Per un flusso di calore di 2,0 W/cm² e una parete di 0,8 mm, la temperatura della parete è di circa 215 gradi. A questa temperatura, l'acido solforico attacca il PTFE a una velocità misurabile e la durata del tubo è determinata dalla degradazione chimica piuttosto che da fattori meccanici.
La soglia della temperatura della parete tra questi due regimi è di circa 180–200 gradi per il servizio con acido solforico. Al di sotto di questa soglia, la velocità di degradazione è lenta e la durata del tubo è determinata da fattori meccanici. Al di sopra di questa soglia, la velocità di degradazione aumenta rapidamente e la durata del tubo diminuisce con l'aumentare della temperatura.
Il meccanismo di degradazione chimica sopra la soglia
La degradazione del PTFE in acido solforico caldo avviene attraverso l'ossidazione delle regioni amorfe del polimero. L'acido solforico, soprattutto ad alta concentrazione, è un forte agente ossidante a temperatura elevata. L'acido attacca le estremità della catena e i siti difettosi nelle regioni amorfe, rompendo le catene polimeriche e creando frammenti più piccoli che si dissolvono o vengono trasportati dal fluido di processo.
La velocità di degradazione aumenta esponenzialmente con la temperatura. Un aumento di 10 gradi della temperatura raddoppia circa il tasso di degradazione. La differenza tra 180 gradi e 220 gradi è un fattore 16 nel tasso di degradazione.
Il degrado non è uniforme su tutta la parete del tubo. L'attacco inizia in superficie e si propaga verso l'interno. La superficie diventa ruvida e porosa e la resistenza meccanica diminuisce. La parete del tubo si assottiglia nel tempo e alla fine il tubo si rompe.
L'effetto della concentrazione acida
La velocità di degradazione dipende dalla concentrazione di acido solforico. L'acido solforico diluito (inferiore al 50%) ha un potenziale di ossidazione inferiore rispetto all'acido concentrato (superiore al 90%). La velocità di degradazione dell'acido solforico al 50% a 200 gradi è circa la metà della velocità dell'acido solforico al 98% alla stessa temperatura.
L'effetto di concentrazione è particolarmente importante nel servizio di concentrazione di acido solforico, dove la concentrazione di acido aumenta man mano che l'acqua evapora. I tubi dello scambiatore di calore all'estremità concentrata del sistema presentano una concentrazione di acido più elevata e un tasso di degradazione più elevato rispetto ai tubi all'estremità diluita.
L'effetto dei contaminanti ossidanti
La velocità di degradazione viene accelerata ossidando i contaminanti nell'acido solforico. L'acido nitrico, l'acido cromico e il perossido di idrogeno sono contaminanti comuni che aumentano il potenziale di ossidazione dell'acido. Anche una piccola percentuale di acido nitrico può aumentare la velocità di degradazione di un fattore da due a tre.
I contaminanti influiscono anche sulla temperatura massima consentita della parete. Nell'acido solforico pulito, la soglia è di circa 200 gradi. Nell'acido solforico contenente il 5% di acido nitrico, la soglia è di circa 170 gradi. Nell'acido solforico contenente il 10% di acido nitrico, la soglia è di circa 150 gradi.
Quantificazione della temperatura di parete consentita
La tabella seguente riassume la temperatura massima consentita della parete per diverse condizioni di servizio dell'acido solforico, in base a una durata di servizio richiesta di 10 anni.
| Concentrazione acida | Contaminanti ossidanti | Temperatura massima consentita della parete | Tasso di degradazione al limite | Spessore consigliato della parete del tubo |
|---|---|---|---|---|
| 15% H₂SO₄ | Nessuno | 220 gradi | 0,05 mm/anno | 0,8 mm |
| 30% H₂SO₄ | Nessuno | 210 gradi | 0,06 mm/anno | 0,8 mm |
| 50% H₂SO₄ | Nessuno | 200 gradi | 0,07 mm/anno | 0,8 mm |
| 70% H₂SO₄ | Nessuno | 190 gradi | 0,08 mm/anno | 0,8 mm |
| 98% H₂SO₄ | Nessuno | 180 gradi | 0,10 mm/anno | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 170 gradi | 0,10 mm/anno | 1,0 mm |
| 50% H₂SO₄ | 10% HNO₃ | 150 gradi | 0,12 mm/anno | 1,0 mm |
| 98% H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 150 gradi | 0,15 mm/anno | 1,2 mm |
I valori massimi consentiti della temperatura della parete presuppongono una durata operativa richiesta di 10 anni e uno spessore minimo consentito della parete di 0,3 mm. I tassi di degradazione si basano su dati sul campo derivanti dal servizio con acido solforico e da test di laboratorio.
L'interazione dello stress meccanico
La temperatura massima consentita della parete è influenzata dallo stress meccanico sul tubo. La combinazione di stress termico e stress da pressione riduce la temperatura consentita perché il tasso di degradazione aumenta con lo stress.
Lo stress meccanico ha due effetti. Innanzitutto, lo stress aumenta la velocità di diffusione dell'acido nel PTFE aprendo le regioni amorfe del polimero. In secondo luogo, lo stress riduce la resistenza meccanica del tubo, il che riduce la perdita ammissibile della parete prima della rottura.
L'effetto della tensione è particolarmente importante nelle giunzioni del tubo-alla-piastra tubiera, dove la concentrazione della tensione è massima. La temperatura massima consentita della parete in corrispondenza del giunto è generalmente inferiore di 10–20 gradi rispetto a quella del corpo del tubo.
Caratteristiche di progettazione che riducono la temperatura della parete
Diverse caratteristiche di progettazione riducono la temperatura della parete del tubo per un dato carico termico.
Superficie più ampia.Una superficie maggiore riduce il flusso di calore, con conseguente riduzione della temperatura della parete. Un aumento del 50% della superficie riduce il flusso di calore e la temperatura della parete di circa il 33%.
Parete del tubo più sottile.Una parete più sottile riduce la resistenza termica e la temperatura della parete a parità di flusso termico. Una parete da 0,5 mm ha la metà della resistenza termica di una parete da 1,0 mm.
Materiale del tubo con conduttività più elevata.Un composto di PTFE riempito con una conduttività termica di 0,5 W/m·K ha metà della resistenza termica delle pareti del PTFE vergine.
Maggiore velocità del flusso di processo.Una velocità del flusso più elevata aumenta il coefficiente del film-lato del processo e riduce la temperatura della parete.
Maggiore velocità del flusso lato servizio-.Una maggiore velocità del vapore o dell'acqua calda aumenta il coefficiente del film sul lato servizio-e riduce la temperatura della parete.
Intestazione di distribuzione del flusso.Un collettore di distribuzione del flusso garantisce un flusso uniforme attraverso il fascio tubiero, evitando punti caldi localizzati.
Confronto dei materiali dei tubi per il servizio-con acido solforico ad alta temperatura
La tabella seguente riassume la temperatura massima consentita della parete e la durata di servizio per i diversi materiali del tubo in PTFE in servizio con acido solforico al 98% con un flusso di calore di 1,5 W/cm².
| Materiale del tubo | Conducibilità termica | Temperatura della parete a 1,5 W/cm² | Durata utile a 180 gradi | Durata di servizio a 200 gradi | Durata di servizio a 220 gradi |
|---|---|---|---|---|---|
| PTFE vergine | 0.25 W/m·K | 210 gradi | 10-15 anni | 5–8 anni | 2–3 anni |
| PTFE ad alta-cristallinità | 0.26 W/m·K | 205 gradi | 12-18 anni | 6-10 anni | 3–4 anni |
| PTFE riempito di grafite- | 0.50 W/m·K | 165 gradi | 15-20 anni | 10-15 anni | 5–8 anni |
| PTFE-riempito di carbonio | 0.65 W/m·K | 150 gradi | 15-20 anni | 12-18 anni | 8-12 anni |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 gradi | 8-12 anni | 4–6 anni | 1–2 anni |
I valori della durata utile sono stime basate su dati sul campo e test di laboratorio. La durata effettiva varierà in base alla chimica dell'acido, allo stress meccanico e alle pratiche operative.
Parametri di specifica per il servizio di acido solforico
I tecnici delle apparecchiature che specificano uno scambiatore di calore in PTFE per il servizio con acido solforico devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Concentrazione acida.Specificare la concentrazione massima e l'intervallo previsto.
Contaminanti ossidanti.Specificare la concentrazione di acido nitrico, acido cromico, perossido di idrogeno o altre specie ossidanti.
Temperatura operativa.Specificare la temperatura operativa massima e il profilo di temperatura previsto.
Carico termico e area superficiale.Specificare il carico termico e la superficie richiesta.
Flusso di calore.Specificare il flusso di calore massimo consentito in base al limite di temperatura della parete.
Spessore della parete del tubo.Specificare lo spessore della parete del tubo in base al flusso di calore e alla temperatura di parete consentita.
Materiale del tubo.Specificare il materiale del tubo in base alla temperatura della parete e al tasso di degradazione.
Requisito di durata utile.Specificare la durata prevista e il programma di sostituzione.
Monitoraggio della temperatura.Specificare i sensori di temperatura e il metodo di monitoraggio per monitorare la temperatura della parete.
Adattamento della temperatura della parete ai requisiti di durata
La temperatura di parete massima consentita per i tubi degli scambiatori di calore in PTFE nel servizio con acido solforico dipende dalla concentrazione dell'acido, dai contaminanti ossidanti e dalla durata di servizio richiesta. Al di sotto della soglia di 180–200 gradi, la velocità di degradazione è lenta e la durata del tubo è determinata da fattori meccanici. Al di sopra della soglia, la velocità di degradazione aumenta esponenzialmente e la durata del tubo diminuisce rapidamente con l'aumentare della temperatura.
La temperatura della parete deve essere selezionata in base ai requisiti di durata utile e al costo totale di proprietà. Una temperatura della parete più bassa richiede una superficie maggiore o un materiale del tubo con una conduttività più elevata, il che aumenta il costo di capitale. Ma la temperatura della parete più bassa prolunga la durata del tubo e riduce i costi di manutenzione.
Per gli impianti di servizio dell'acido solforico che valutano le opzioni dello scambiatore di calore in PTFE, la temperatura della parete deve essere specificata nei documenti di approvvigionamento e verificata al momento della messa in servizio. La configurazione predefinita fornita dal produttore può essere ottimizzata per la compattezza piuttosto che per la durata, e la temperatura della parete risultante potrebbe superare la soglia di degradazione.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per l'acido solforico o altri servizi corrosivi possono richiedere una revisione del progetto riguardante la concentrazione dell'acido, i contaminanti ossidanti, la temperatura di esercizio, il flusso di calore, lo spessore della parete del tubo e il materiale del tubo per confermare che l'unità sia adatta alle condizioni di servizio effettive e ai requisiti di durata della struttura.
