L'ambiente del solfato ferrico
Le soluzioni di solfato ferrico vengono utilizzate nel decapaggio dell'acciaio, nella produzione di pigmenti di biossido di titanio e come agenti di attacco nella finitura dei metalli. La soluzione contiene ferro ferrico a concentrazioni di 50-200 g/L come Fe₂(SO₄)₃, con acido solforico libero di 20-100 g/L, operante a 60-90 gradi. La combinazione del forte potere ossidante dello ione ferrico e dell'acidità dell'acido solforico crea un ambiente aggressivo per molti materiali.
La grafite impermeabile-grafite impregnata con resina fenolica o furanica per eliminare la porosità-è ampiamente utilizzata per gli scambiatori di calore in questo servizio. La grafite stessa resiste sia all'acido solforico che al solfato ferrico. La resina impregnante, però, non condivide questa resistenza. Nel tempo, a temperatura elevata, la soluzione di solfato ferrico ossida la resina, provocandone la progressiva degradazione.
Il PTFE non ha resina impregnante che possa degradarsi. L'intero materiale è chimicamente inerte al solfato ferrico e all'acido solforico. Il confronto tra grafite impermeabile e PTFE in questo servizio è tra un materiale composito il cui legante cede lentamente e un materiale omogeneo che non può reagire chimicamente con il fluido di processo.
Il meccanismo di degradazione della resina
La grafite impermeabile viene prodotta impregnando la grafite porosa con una resina termoindurente-tipicamente fenolica o furanica-sotto vuoto e pressione. La resina riempie i pori interconnessi, rendendo il materiale impermeabile ai fluidi di processo. La grafite fornisce conduttività termica e resistenza chimica. La resina garantisce impermeabilità.
Il solfato ferrico attacca la resina attraverso l'ossidazione. Lo ione ferrico (Fe³⁺) è un forte ossidante. Estrae l'idrogeno dal polimero della resina, creando radicali liberi che reagiscono con l'ossigeno disciolto per formare gruppi carbonilici e carbossilici. La resina ossidata diventa fragile. Si sviluppano micro-fessure. Le crepe espongono la superficie della resina fresca alla soluzione, perpetuando l'attacco.
Man mano che la resina si degrada, si sviluppano diverse modalità di guasto. Il legame della resina-grafite si indebolisce e le particelle di grafite possono essere rilasciate nel flusso del processo. La perdita di resina dalla superficie crea porosità superficiale, aumentando la superficie effettiva e accelerando ulteriori attacchi. Alla fine, si sviluppa porosità interconnessa attraverso la parete del tubo e il fluido di processo fuoriesce attraverso la parete dello scambiatore di calore.
| Parametro di degradazione | Grafite impermeabile (resina fenolica) | Grafite impermeabile (resina di furano) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Struttura legante/materiale | Resina fenolica in matrice di grafite | Resina furanica in matrice di grafite | Fluoropolimero omogeneo |
| Resistenza all'ossidazione del legante | Povero (attaccato da Fe³⁺) | Moderato (migliore dei fenolici) | N/A (nessun raccoglitore) |
| Tasso di degradazione della resina a 80 gradi in Fe₂(SO₄)₃ | 0,1-0,3 mm/anno (recessione superficiale) | 0,05-0,15 mm/anno | 0 |
| Rilascio di particelle di grafite | Sì (poiché la resina si degrada) | Sì (tariffa ridotta) | Nessuno |
| Condizioni superficiali dopo 2 anni | Poroso, ruvido | Moderatamente irruvidito | Liscio, invariato |
| Permeabilità dopo 3-5 anni | Potrebbe svilupparsi attraverso-perdite nei muri | Potrebbe svilupparsi attraverso-perdite nei muri | Mai (permeabilità zero) |
| Vita utile in Fe₂(SO₄)₃ a 80 gradi (anni) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
Il feedback dell'erosione-degrado composito
La degradazione della resina crea porosità superficiale. La superficie porosa è meccanicamente più debole della superficie impregnata di resina-originale. Nella soluzione fluente di solfato ferrico, la superficie porosa si erode più rapidamente di quanto farebbe una superficie liscia e impermeabile. L'erosione rimuove la resina degradata e le particelle di grafite parzialmente staccate, esponendo il materiale fresco all'attacco chimico.
Questo ciclo di feedback-attacco chimico che crea porosità, porosità che accelera l'erosione, erosione che espone una superficie fresca-significa che il tasso di degradazione della grafite impermeabile è più veloce di quanto previsto dal solo tasso di ossidazione chimica. Il degrado chimico-meccanico combinato determina la durata di servizio effettiva.
Il PTFE non ha tale feedback. La superficie omogenea del polimero si erode lentamente e in modo uniforme sotto il flusso, senza alcun contributo chimico alla perdita di materiale. Il tasso di erosione è determinato esclusivamente dalla velocità del fluido e dall'abrasività di eventuali solidi sospesi-fattori che influenzano entrambi i materiali ma sono aggravati dall'attacco chimico solo nella grafite.
Riepilogo
Gli scambiatori di calore in PTFE hanno prestazioni migliori della grafite impermeabile nelle soluzioni calde di solfato ferrico perché il PTFE è un materiale omogeneo senza legante resinoso da ossidare. La grafite impermeabile si basa su un impregnante a base di resina fenolica o furanica che viene progressivamente attaccato dallo ione ferrico ossidante, creando porosità superficiale che accelera l'erosione e alla fine porta a perdite attraverso la parete. Il PTFE fornisce una superficie liscia e chimicamente inerte che si degrada solo tramite una lenta erosione meccanica, garantendo una durata di servizio di 15+ anni rispetto ai 3-8 anni della grafite impermeabile.
Il supporto tecnico per le specifiche dello scambiatore di calore PTFE nelle applicazioni con solfato ferrico e altre soluzioni ossidanti è disponibile previa presentazione dei dati relativi alla composizione della soluzione, alla temperatura, alla velocità del flusso e alla durata di servizio dell'apparecchiatura corrente.
