Il sorprendente livello di scala
Il PTFE è specifico per la sua superficie antiaderente-. La bassa energia superficiale respinge l'acqua, resiste all'adesione e impedisce alla maggior parte delle incrostazioni di aderire. Tuttavia, gli operatori occasionalmente scoprono uno strato di calcare duro e aderente sui tubi degli scambiatori di calore in PTFE dopo mesi di servizio. Sembra che la superficie antiaderente- abbia ceduto.
La scala non è un difetto delle proprietà del materiale PTFE. È un mancato rispetto dei limiti di temperatura entro i quali opera quella struttura. Al di sopra di una temperatura critica della parete, la fisica della formazione di incrostazioni supera il vantaggio anti-adesivo del PTFE. Le scaglie si legano non attraverso l'adesione chimica ma attraverso un meccanismo diverso: l'incastro cristallino con la superficie del polimero.
I due meccanismi di ridimensionamento
Le incrostazioni si formano sulle superfici degli scambiatori di calore attraverso due meccanismi distinti. Il primo è la deposizione del particolato: i cristalli pre-formati nella soluzione sfusa si depositano sulla superficie e aderiscono attraverso le forze di van der Waals. La bassa energia superficiale del PTFE resiste efficacemente a questo meccanismo. Le deboli forze attrattive non riescono a superare la tendenza delle particelle a rientrare nella soluzione fluente.
Il secondo meccanismo è la cristallizzazione superficiale: gli ioni disciolti precipitano direttamente sulla superficie di scambio termico. Ciò si verifica quando la temperatura della parete determina cambiamenti di concentrazione locali. Per i sali inversamente solubili come il solfato di calcio, il carbonato di calcio e il fosfato di calcio, la solubilità diminuisce con l'aumentare della temperatura. La superficie più calda del sistema-la parete del tubo dello scambiatore di calore-diventa il sito di precipitazione preferito.
La cristallizzazione superficiale non richiede adesione chimica. I cristalli si nucleano nello strato limite direttamente adiacente alla parete del tubo, quindi crescono fino a formare una micro-rugosità superficiale. Il cristallo in crescita si intreccia fisicamente con la topografia della superficie del polimero. Questo incastro meccanico non richiede alcun legame chimico e non viene annullato dalla bassa energia superficiale.
Tabella 1: Gravità della scala rispetto alla temperatura della parete in PTFE per precipitati dei comuni bagni di placcatura
| Temperatura della parete (gradi) | Scala del solfato di calcio | Scala di carbonato di calcio | Fanghi di idrossido metallico | Forza di adesione della scala |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 | Minimo | Minimo | Sfuso, facilmente risciacquabile | Molto debole |
| 80-100 | Deposito leggero | Deposito leggero | Aderenza moderata | Debole |
| 100-120 | Scala moderata | Scala moderata | Saldamente attaccato | Moderare |
| 120-140 | Scaglia cristallina pesante | Scala pesante | Fortemente legato | Forte |
| 140-160 | Accumulo grave e rapido | Acuto | Difficile da rimuovere | Molto forte |
| >160 | Precipitazioni estreme | Estremo | Richiede la rimozione meccanica | Estremo |
Dati per solfato di calcio da bagni contenenti acido solforico-calcio; carbonato di calcio da sistemi ad acqua dura; idrossidi metallici da elettroliti contenenti ferro e alluminio-. Adesione misurata mediante pressione di rimozione del getto d'acqua.
Il trigger della temperatura della parete
La transizione dal ridimensionamento gestibile a quello problematico avviene a temperature delle pareti comprese tra 100 gradi e 120 gradi per i precipitati più comuni. Al di sotto di 100 gradi, la velocità di cristallizzazione superficiale è lenta. La bassa energia superficiale del PTFE offre vantaggi significativi impedendo la nucleazione iniziale dei cristalli che porta all'incastro meccanico.
Sopra i 120 gradi, la velocità di cristallizzazione accelera in modo esponenziale. Lo strato limite diventa rapidamente sovrasaturato. I cristalli nucleano in abbondanza, travolgendo qualsiasi resistenza alla nucleazione da parte della superficie a bassa-energia. Una volta che si forma un sottile strato cristallino, la successiva crescita dei cristalli avviene sull'incrostazione esistente, non sul PTFE. L'energia superficiale del PTFE diventa irrilevante.
La pressione del vapore controlla direttamente la temperatura della parete. Il vapore a 3 barg produce una temperatura di saturazione di 143 gradi, creando temperature delle pareti nell'intervallo 120-140 gradi. Questa è la zona pericolosa in cui il ridimensionamento passa da fastidio a problema. Il vapore a 6 barg spinge la temperatura della parete ben oltre il regime di incrostazione severa.
Strategie di prevenzione
Ridurre la pressione del vapore al minimo che soddisfi i requisiti di riscaldamento. Il vapore a bassa-pressione a 1-2 bar mantiene la temperatura della parete al di sotto di 120 gradi, dove le proprietà antiadesione del PTFE rimangono efficaci. La sanzione è una maggiore superficie richiesta. Il vantaggio è una scalabilità drasticamente ridotta.
Aumentare la velocità della soluzione sulla superficie del tubo. Una velocità più elevata assottiglia lo strato limite, riducendo il tempo di residenza per la nucleazione dei cristalli. Aumenta inoltre la forza di taglio che agisce su tutti i cristalli che si formano, aiutando a rimuoverli prima che diventino abbastanza grandi per l'incastro meccanico.
Per le applicazioni in cui è inevitabile un'elevata pressione del vapore, accettare che sarà necessaria una decalcificazione periodica. La disincrostazione delle bobine in PTFE è più semplice rispetto a quella delle bobine in metallo-le incrostazioni possono spesso essere staccate flettendo il tubo e la superficie chimicamente inerte tollera la pulizia acida senza corrosione.
Riepilogo
Il ridimensionamento dello scambiatore di calore in PTFE al di sopra della temperatura della parete di 150 gradi avviene attraverso la cristallizzazione superficiale e l'incastro meccanico, non attraverso l'adesione chimica. La proprietà anti-adesiva del PTFE è reale ma è sopraffatta dalla rapida cinetica di cristallizzazione a temperature elevate.
Il mantenimento della temperatura della parete al di sotto di 120 gradi attraverso la riduzione della pressione del vapore preserva il vantaggio-antiaderente. Una maggiore velocità della soluzione integra ciò aumentando la rimozione del taglio dei cristalli nascenti. Quando il funzionamento ad alta-temperatura è inevitabile, la decalcificazione periodica meccanica o chimica diventa parte della routine di manutenzione.
Le raccomandazioni tecniche per la prevenzione delle incrostazioni in specifiche applicazioni di scambiatori di calore in PTFE sono disponibili previa presentazione della chimica della soluzione, della temperatura operativa, della pressione del vapore e della cronologia delle incrostazioni osservate.
