Kemin som attackerar titan
Titan står emot natriumhypoklorit genom bildandet av en passiv oxidfilm som är stabil i neutrala och alkaliska lösningar. Filmen är anledningen till att titan presterar bra i blekning vid måttlig temperatur och koncentration. Filmen bryts ner när temperaturen stiger över 70 grader, när koncentrationen stiger över 15 % eller när pH sjunker under 9.
Korrosionshastigheten för titan vid användning av hypoklorit vid 60 grader och 12 % hypoklorit är vanligtvis mindre än 0,05 mm per år. Vid 80 grader och 15 % hypoklorit ökar hastigheten till 0,3–0,8 mm per år. Vid 90 grader och 15 % hypoklorit kan hastigheten överstiga 1,5 mm per år.
Korrosionen initieras typiskt vid rörändarna där flödeshastigheten är låg och temperaturen är hög, och vid rör-till-förbanden där spaltgeometrin koncentrerar de korrosiva ämnena. Korrosionen visar sig som gropfrätning, som tränger in i rörväggen och orsakar läckage.
Kemin som angriper PTFE
PTFE är resistent mot natriumhypoklorit vid alla koncentrationer och temperaturer inom dess användningsområde. Kol-fluorbindningarna angrips inte av hypokloriten eller kaustiksodan som stabiliserar blekmedlet. Materialet korroderar inte, och livslängden bestäms av mekaniska faktorer snarare än kemiska angrepp.
Den enda nedbrytningsmekanismen för PTFE i hypoklorittjänst är diffusionen av hypokloriten och kaustiken in i polymerens amorfa regioner. Diffusionen är långsam, och effekten på de mekaniska egenskaperna är blygsam. Livslängden för en PTFE-värmeväxlare i hypokloritdrift är vanligtvis 12–18 år.
Thermal Conductivity Gap
Den termiska ledningsförmågan hos titan är cirka 22 W/m·K, jämfört med 0,25 W/m·K för PTFE. Förhållandet är cirka 88:1.
För en värmeväxlare som levererar 40 kW i 12 % hypoklorit vid 60 grader kräver en titanenhet cirka 3 m² ytarea, baserat på en total värmeöverföringskoefficient på 800 W/m²·K och en logaritmisk medeltemperaturskillnad på 17 grader . En PTFE-enhet för samma drift kräver cirka 12 m² ytarea, baserat på en total koefficient på 200 W/m·K och samma temperaturskillnad.
PTFE-enheten är 4 gånger större än titanenheten. Ju större storlek ökar kapitalkostnaden, golvytan och vätskevolymen. Det lägre värmeflödet minskar rörväggstemperaturen, vilket är fördelaktigt för processen, men den större ytan ger också mer yta för avlagringar och kräver längre tid att rengöra.
Nedbrytningsproblemet vid förhöjd temperatur
Natriumhypoklorit sönderdelas med en hastighet som ökar med temperaturen. Vid 60 grader är nedbrytningshastigheten cirka 2 % per dag. Vid 70 grader är hastigheten cirka 5 % per dag. Vid 80 grader är hastigheten cirka 10 % per dag. Nedbrytningen genererar klorgas och saltsyra, som är frätande för båda materialen.
Nedbrytningshastigheten begränsar den praktiska driftstemperaturen för både titan och PTFE. Vid temperaturer över 70 grader är nedbrytningshastigheten tillräckligt hög för att hypokloritkoncentrationen kontinuerligt måste fyllas på och klorgasen måste ventileras. Materialvalet måste ta hänsyn till klorgasen och nedbrytningsprodukterna.
Titan är särskilt känsligt för saltsyran som genereras av nedbrytningen. Syran sänker pH och påskyndar titankorrosionen. PTFE är resistent mot saltsyran och klorgasen, så nedbrytningen påverkar inte PTFE:s livslängd.
Jämföra de två materialen i hypokloritblekningsservice
Följande tabell sammanfattar prestanda och kostnadsegenskaper för PTFE- och titanvärmeväxlare vid hypokloritblekning vid 60 grader med 12 % natriumhypoklorit.
| Karakteristisk | Titan värmeväxlare | PTFE värmeväxlare | Fördel |
|---|---|---|---|
| Värmeledningsförmåga | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Titan |
| Total värmeöverföringskoefficient | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Titan |
| Ytarea som krävs för 40 kW | 3 m² | 12 m² | Titan |
| Kemisk beständighet mot 12% hypoklorit vid 60 grader | Utmärkt | Utmärkt | Lika |
| Kemisk beständighet mot 15% hypoklorit vid 80 grader | Dålig | Utmärkt | PTFE |
| Kemisk beständighet mot klorgas | Måttlig | Utmärkt | PTFE |
| Maximal drifttemperatur | 70 grader (praktiskt) | 260 grader | PTFE |
| Mekanisk styrka | Hög | Måttlig | Titan |
| Motståndskraft mot termisk stöt | Måttlig | Hög | PTFE |
| Reparationsförmåga | Begränsad | Bra | PTFE |
| Livslängd vid hypokloritdrift | 5–8 år | 12–18 år | PTFE |
| Kapitalkostnad för 40 kW tull | $32,000 | $34,000 | Titan |
| Installationskostnad | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Årlig underhållskostnad | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Fem-års total kostnad | $76,000 | $55,500 | PTFE |
De fem-åriga totala kostnadsvärdena antar ett produktionsvärde på 600 USD per timme och inkluderar kapitalkostnaden, installationskostnaden och underhållskostnaden under fem år.
När titan är det bättre valet
Titan är det bättre valet i flera specifika tillämpningar.
Låg-temperaturtjänst.Vid temperaturer under 50 grader motstår titan hypoklorit utan svårighet, och den högre värmeledningsförmågan minskar den erforderliga ytan och kapitalkostnaden.
Låg-koncentrationstjänst.Vid koncentrationer under 10 % motstår titan hypoklorit vid temperaturer upp till 60 grader, och den högre värmeledningsförmågan minskar den erforderliga ytan.
Installationer med begränsad utrymme-.När det tillgängliga utrymmet är starkt begränsat kan den mindre titanenheten vara det enda möjliga alternativet. PTFE-enheten skulle kräva 4 gånger ytan, vilket kanske inte passar i det tillgängliga utrymmet.
Hög-tjänst.Titan har högre mekanisk styrka än PTFE och tål högre tryck. För användning av hypoklorit vid tryck över 10 bar kan titan vara det enda genomförbara alternativet.
När PTFE är det bättre valet
PTFE är det bättre valet i flera specifika tillämpningar.
Hög-temperaturtjänst.Vid temperaturer över 60 grader motstår PTFE nedbrytningsprodukterna bättre än titan, och livslängden är längre.
Hög-koncentrationstjänst.Vid koncentrationer över 12 % motstår PTFE hypokloriten och kaustiken bättre än titan.
Klorgas exponering.Om nedbrytningen genererar klorgas, motstår PTFE gasen bättre än titan.
Termisk cykeltjänst.PTFE har högre värmechockbeständighet än titan, vilket gör den lämplig för användning med frekventa temperaturförändringar.
Krav på lång livslängd.När värmeväxlaren förväntas ha en livslängd på 10 år eller mer är PTFE det bättre valet eftersom den motstår den kemiska attacken under en längre period.
Designfunktioner som förlänger livslängden
Flera designegenskaper förlänger livslängden för både PTFE- och titanvärmeväxlare i hypokloritblekningsservice.
Lägre drifttemperatur.Att sänka driftstemperaturen från 70 grader till 50 grader minskar nedbrytningshastigheten och den kemiska attacken på värmeväxlarmaterialet.
Lägre koncentration.Att minska hypokloritkoncentrationen från 15 % till 10 % minskar den kemiska attacken och nedbrytningshastigheten.
pH-kontroll.Att bibehålla pH över 10 minskar korrosionen av titan och nedbrytningen av hypokloriten.
Flödeshastighetskontroll.Att bibehålla en måttlig flödeshastighet minskar gränsskiktets tjocklek och koncentrationen av nedbrytningsprodukter vid rörytan.
På-plats städutrustning.Anslutningar för tillförsel och retur av rengöringslösning gör att värmeväxlaren kan rengöras utan demontering, vilket minskar stilleståndstiden och produktionsbortfallet.
Specifikationsparametrar för Hypochlorite Bleach Service
Utrustningsingenjörer som utvärderar PTFE- och titanvärmeväxlare för hypokloritblekningsservice bör bekräfta följande parametrar med leverantören.
Hypokloritkoncentration.Ange maximal koncentration och förväntat intervall.
Driftstemperatur.Ange maximal driftstemperatur och förväntad temperaturprofil.
pH.Specificera pH-intervallet och kontrollmetoden.
Driftstryck.Ange maximalt drifttryck.
Värmebelastning och ytarea.Ange värmebelastning och erforderlig yta för varje materialalternativ.
Nedbrytningshastighet.Ange den förväntade nedbrytningshastigheten och klorgasgenereringshastigheten.
Utrymmesbegränsningar.Ange tillgängligt utrymme och maximalt tillåtet fotavtryck.
Krav på livslängd.Ange förväntad livslängd och ersättningsschema.
Matchande materialval till Hypoklorit Serviceförhållanden
Valet mellan PTFE- och titanvärmeväxlare vid hypokloritblekning beror på temperaturen, koncentrationen, pH och livslängdskravet. Titan har en högre värmeledningsförmåga och kräver mindre ytarea, men det är känsligt för korrosion vid förhöjd temperatur och hög koncentration. PTFE har lägre värmeledningsförmåga och kräver mer yta, men det är resistent mot hypoklorit i alla koncentrationer och temperaturer.
Urvalsbeslutet bör baseras på en anläggningsspecifik-analys som inkluderar kapitalkostnaden, underhållskostnaden och exponeringen för produktionsförluster. En enkel kalkylbladsmodell med dessa kostnadskomponenter ger den information som behövs för att fatta beslut.
För serviceanläggningar för hypokloritblekning som utvärderar värmeväxlaralternativ, bör materialvalet baseras på den totala ägandekostnaden under den förväntade livslängden, inte bara kapitalkostnaden eller den termiska prestandan. En titanenhet med lägre kapitalkostnad kan ha en högre livstidskostnad om den kräver frekvent byte.
Utrustningsingenjörer och inköpsspecialister som utvärderar PTFE-värmeväxlarspecifikationer för hypokloritblekning eller annan oxiderande service kan begära en designgranskning som täcker hypokloritkoncentration, driftstemperatur, pH, driftstryck och livslängdskrav för att bekräfta att materialvalet matchar anläggningens faktiska serviceförhållanden och kostnadsstruktur.
