Prostredie síranu železitého
Roztoky síranu železitého sa používajú pri morení ocele, výrobe pigmentu oxidu titaničitého a ako leptadlo pri povrchovej úprave kovov. Roztok obsahuje trojmocné železo v koncentráciách 50-200 g/l ako Fe2(SO4)3, s voľnou kyselinou sírovou 20-100 g/l, pracuje pri 60-90 stupňoch. Kombinácia silnej oxidačnej sily železitého iónu a kyslosti kyseliny sírovej vytvára agresívne prostredie pre mnohé materiály.
Nepriepustný grafitový-grafit impregnovaný fenolovou alebo furánovou živicou na odstránenie pórovitosti- sa v tejto službe vo veľkej miere používa vo výmenníkoch tepla. Samotný grafit odoláva kyseline sírovej aj síranu železitému. Živicový impregnant však nezdieľa túto odolnosť. V priebehu času pri zvýšenej teplote roztok síranu železitého oxiduje živicu, čo spôsobuje progresívnu degradáciu.
PTFE nemá živicový impregnant, ktorý by sa mal degradovať. Celý materiál je chemicky inertný voči síranu železitému a kyseline sírovej. Porovnanie medzi nepriepustným grafitom a PTFE v tejto službe je medzi kompozitným materiálom, ktorého spojivo pomaly zlyháva, a homogénnym materiálom, ktorý nemôže chemicky reagovať s procesnou kvapalinou.
Mechanizmus degradácie živice
Nepriepustný grafit sa vyrába impregnáciou pórovitého grafitu termosetovou živicou -zvyčajne fenolovou alebo furánovou-vo vákuu a tlaku. Živica vypĺňa prepojené póry, vďaka čomu je materiál nepriepustný pre spracovávané tekutiny. Grafit poskytuje tepelnú vodivosť a chemickú odolnosť. Živica poskytuje nepriepustnosť.
Síran železitý napáda živicu oxidáciou. Železný ión (Fe3⁺) je silné oxidačné činidlo. Abstrahuje vodík zo živicového polyméru a vytvára voľné radikály, ktoré reagujú s rozpusteným kyslíkom za vzniku karbonylových a karboxylových skupín. Oxidovaná živica sa stáva krehkou. Vznikajú mikro-trhliny. Trhliny vystavujú čerstvý povrch živice roztoku, čím sa útok udržiava.
Ako živica degraduje, vzniká niekoľko spôsobov zlyhania. Živicová-grafitová väzba sa oslabuje a častice grafitu sa môžu uvoľňovať do procesného prúdu. Strata živice z povrchu vytvára povrchovú pórovitosť, zväčšuje skutočnú povrchovú plochu a urýchľuje ďalšie napadnutie. Nakoniec sa cez stenu rúrky vyvinie prepojená pórovitosť a procesná tekutina uniká cez stenu výmenníka tepla.
| Degradačný parameter | Nepriepustný grafit (fenolová živica) | Nepriepustný grafit (furánová živica) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Štruktúra spojiva/materiálu | Fenolová živica v grafitovej matrici | Furánová živica v grafitovej matrici | Homogénny fluórpolymér |
| Odolnosť spojiva proti oxidácii | Chudobný (napadol Fe³⁺) | Mierne (lepšie ako fenolové) | N/A (bez spojiva) |
| Rýchlosť degradácie živice pri 80 stupňoch v Fe2(SO4)3 | 0,1-0,3 mm/rok (povrchová recesia) | 0,05-0,15 mm/rok | 0 |
| Uvoľňovanie grafitových častíc | Áno (ako živica degraduje) | Áno (znížená sadzba) | žiadne |
| Stav povrchu po 2 rokoch | Porézny, zdrsnený | Stredne zdrsnený | Hladké, nezmenené |
| Priepustnosť po 3-5 rokoch | Môže sa vyvinúť cez-netesnosti v stene | Môže sa vyvinúť cez-netesnosti v stene | Nikdy (nulová priepustnosť) |
| Životnosť v Fe₂(SO₄)₃ pri 80 stupňoch (roky) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
Spätná väzba na{0}}kompozitnú degradáciu
Degradácia živice vytvára povrchovú pórovitosť. Pórovitý povrch je mechanicky slabší ako pôvodný povrch -impregnovaný živicou. V prúdiacom roztoku síranu železitého sa pórovitý povrch eroduje rýchlejšie ako hladký, nepriepustný povrch. Erózia odstraňuje degradovanú živicu a čiastočne oddelené častice grafitu, čím vystavuje čerstvý materiál chemickému napadnutiu.
Táto slučka spätnej väzby-vytvára pórovitosť, pórovitosť urýchľuje eróziu, eróziu odhaľuje čerstvý povrch-znamená, že rýchlosť degradácie nepriepustného grafitu je rýchlejšia, než by predpovedala samotná rýchlosť chemickej oxidácie. Kombinovaná chemo-mechanická degradácia určuje skutočnú životnosť.
PTFE takúto spätnú väzbu nemá. Homogénny polymérny povrch pod prúdom pomaly a rovnomerne eroduje bez chemického príspevku k strate materiálu. Rýchlosť erózie je určená výlučne rýchlosťou tekutiny a abrazívnosťou akýchkoľvek suspendovaných pevných látok, -faktorov, ktoré ovplyvňujú oba materiály, ale sú spojené iba chemickým pôsobením v grafite.
Zhrnutie
Výmenníky tepla PTFE prekonávajú nepriepustný grafit v horúcich roztokoch síranu železitého, pretože PTFE je homogénny materiál bez živicového spojiva, ktoré by sa malo oxidovať. Nepriepustný grafit je založený na impregnácii fenolovej alebo furánovej živice, ktorá je postupne napádaná oxidačným železitým iónom, čím sa vytvára povrchová pórovitosť, ktorá urýchľuje eróziu a nakoniec vedie k presakovaniu-steny. PTFE poskytuje hladký, chemicky inertný povrch, ktorý degraduje iba pomalou mechanickou eróziou, poskytuje 15+-ročnú životnosť oproti 3-8 rokom v prípade nepriepustného grafitu.
Technická podpora pre špecifikáciu výmenníka tepla PTFE v aplikáciách síranu železitého a iných oxidačných roztokov je k dispozícii po predložení údajov o zložení roztoku, teplote, rýchlosti prúdenia a aktuálnej životnosti zariadenia.
