Koncentrované kaustické prostredie
Hydroxid sodný s koncentráciou nad 50 % pri zvýšenej teplote je jednou z najagresívnejších priemyselných chemikálií. Rozpúšťa sklo, napáda väčšinu kovov žieravým koróznym praskaním alebo rovnomerným rozpúšťaním a degraduje mnohé polyméry alkalickou hydrolýzou. Kombinácia vysokého pH (14+), zvýšenej teploty a silného nukleofilného hydroxidového iónu spôsobuje, že výber materiálu je extrémne obmedzený.
Hliníková keramika (oxid hlinitý, Al₂O3) je jedným z mála materiálov s užitočnou odolnosťou voči horúcemu koncentrovanému žieravinu. Jeho iónová-kovalentná väzba a hustá mikroštruktúra poskytujú chemickú stabilitu v alkalickom prostredí, kde kovy a sklá zlyhávajú. Výmenníky tepla z oxidu hlinitého slúžia v špecializovaných aplikáciách spracovania žieravín.
PTFE je univerzálne odolný voči hydroxidu sodnému pri všetkých koncentráciách a teplotách až do 260 stupňov. Porovnanie s oxidom hlinitým je medzi keramikou, ktorá odoláva žieravinám vďaka termodynamickej stabilite oxidu, a polymérom, ktorý je prirodzene odolný voči alkalickému napadnutiu.
Mechanizmus rozpúšťania oxidu hlinitého
Oxid hlinitý nie je úplne inertný voči hydroxidu sodnému. Pri vysokých koncentráciách a zvýšených teplotách dochádza k pomalej chemickej reakcii:
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H2O → 2NaAl(OH)₄
Produkt hlinitanu sodného je rozpustný a rozpúšťa sa v roztoku žieraviny. Povrch oxidu hlinitého sa postupne odleptá. Rýchlosť rozpúšťania silne závisí od teploty a koncentrácie žieraviny.
Pri 50 % NaOH a 100 stupňoch je rýchlosť rozpúšťania oxidu hlinitého s vysokou -čistotou (99,7 %) približne 0,02-0,05 mm/rok. Táto sadzba je dostatočne nízka pre priemyselné služby, ale nie je nulová. Počas 10-ročnej životnosti sa stratí 0,2-0,5 mm povrchu. Rúry výmenníka tepla z oxidu hlinitého musia zahŕňať toleranciu voči korózii v hrúbke steny.
Rozpúšťanie je zriedka dokonale rovnomerné. Keramika z oxidu hlinitého je polykryštalická a hranice zŕn sa leptajú o niečo rýchlejšie ako vnútro zŕn. V priebehu času sa drsnosť povrchu zvyšuje. Zdrsnený povrch poskytuje nukleačné miesta pre usadzovanie lúhu, čo môže viesť k lokalizovanému ataku pod-depozitom.
Tabuľka 1: Porovnanie koncentrovanej kaustiky (50 % NaOH)
| Parameter odporu | Keramika z oxidu hlinitého (99,7 % Al₂O3) | PTFE |
|---|---|---|
| Korózny mechanizmus | žiadne | |
| Rýchlosť rozpúšťania pri 100 stupňoch (mm/rok) | 0.02-0.05 | 0 |
| Rýchlosť rozpúšťania pri 150 stupňoch (mm/rok) | 0.10-0.30 | 0 |
| Teplotný limit v 50% NaOH (stupeň) | ~150 (zrýchlené rozpúšťanie vyššie) | 260 |
| Zdrsňovanie povrchu časom | Áno (leptanie na hranici zŕn) | Nie |
| Náchylnosť na tepelný šok | Stredná (krehkosť keramiky) | žiadne |
| Tepelná vodivosť (W/m·K) | 25-35 | 0.25 |
| Režim mechanického zlyhania | Krehký lom | Tvárne tečenie |
| Zložitosť výroby | Vysoká (špecializované keramické spracovanie) | Mierne |
Zraniteľnosť tepelného šoku
Aluminová keramika, ako každá keramika, je krehká. Jeho odolnosť voči teplotným šokom je obmedzená kombináciou mierneho koeficientu tepelnej rozťažnosti (8 × 10⁻⁶/stupeň) a vysokého modulu pružnosti (350 GPa). Rýchle zmeny teploty vytvárajú tepelné napätie, ktoré môže zlomiť keramiku.
Pri spracovaní žieravín dochádza k výkyvom teploty počas spúšťania, vypínania a porúch procesu. Studená žieravina privádzaná do horúceho výmenníka oxidu hlinitého alebo horúca žieravina do studeného výmenníka vytvára tepelné gradienty, ktoré môžu prasknúť rúrky. Pravdepodobnosť lomu závisí od veľkosti a rýchlosti zmeny teploty a od prítomnosti povrchových defektov z výroby alebo prevádzky.
PTFE je odolný voči tepelným šokom. Jeho nízky modul pružnosti mu umožňuje prispôsobiť sa rýchlym teplotným zmenám prostredníctvom elastickej deformácie. Pri normálnych rýchlostiach zmeny teploty procesu neexistuje žiadny mechanizmus lomu.
Prenos tepla a obchod so stopou-vypnutý
Tepelná vodivosť oxidu hlinitého 25-35 W/m·K je približne 100-140-krát vyššia ako 0,25 W/m·K PTFE. Výmenník tepla z oxidu hlinitého je pri rovnakej tepelnej záťaži výrazne kompaktnejší. Pri inštaláciách s obmedzeným priestorom je to významná výhoda.
PTFE vyžaduje 3-4-násobok povrchu, čo má za následok väčšiu fyzickú stopu. Voľba medzi oxidom hlinitým a PTFE často závisí od toho, či sa do inštalačného priestoru zmestí väčší PTFE výmenník. Ak je k dispozícii priestor, absolútna odolnosť PTFE voči rozpúšťaniu žieravín a zlomeniu tepelným šokom poskytuje riešenie s nižším rizikom.
Zhrnutie
PTFE výmenníky tepla sú odolné voči hydroxidu sodnému pri všetkých koncentráciách a teplotách až do 260 stupňov. Keramika z oxidu hlinitého dobre odoláva žieravinám, ale podlieha pomalému rozpúšťaniu, ktoré spotrebúva hrúbku steny a časom zdrsňuje povrchy. Oxid hlinitý je tiež náchylný na zlomy v dôsledku teplotných výkyvov, čo je riziko, ktoré PTFE úplne eliminuje.
Výhoda tepelnej vodivosti oxidu hlinitého poskytuje kompaktnejší výmenník, ktorý môže byť rozhodujúci pri inštaláciách s obmedzeným priestorom-. Tam, kde to priestor dovoľuje, absolútna chemická odolnosť PTFE a absencia rizika krehkých zlomenín z neho robia- voľbu s nižším rizikom pre koncentrované žieraviny.
Technická analýza pre výber žieravého servisného materiálu je k dispozícii po predložení koncentrácie NaOH, rozsahu prevádzkových teplôt, charakteristík teplotných cyklov, tepelnej záťaže a dostupného inštalačného priestoru.
