Kimia yang Menyerang Titanium
Titanium menahan natrium hipoklorit melalui pembentukan filem oksida pasif yang stabil dalam larutan neutral dan beralkali. Filem ini adalah sebab titanium berfungsi dengan baik dalam perkhidmatan peluntur pada suhu dan kepekatan sederhana. Filem ini rosak apabila suhu meningkat melebihi 70 darjah, apabila kepekatan meningkat melebihi 15%, atau apabila pH turun di bawah 9.
Kadar kakisan titanium dalam perkhidmatan hipoklorit pada 60 darjah dan 12% hipoklorit biasanya kurang daripada 0.05 mm setahun. Pada 80 darjah dan 15% hipoklorit, kadar meningkat kepada 0.3-0.8 mm setahun. Pada 90 darjah dan 15% hipoklorit, kadar boleh melebihi 1.5 mm setahun.
Hakisan biasanya bermula pada hujung tiub di mana halaju aliran rendah dan suhu tinggi, dan pada sambungan kepingan tiub-ke-tiub di mana geometri celah menumpukan spesies menghakis. Hakisan menjelma sebagai pitting, yang menembusi dinding tiub dan menyebabkan kebocoran.
Kimia Yang Menyerang PTFE
PTFE tahan kepada natrium hipoklorit pada semua kepekatan dan suhu dalam julat perkhidmatannya. Ikatan karbon-fluorin tidak diserang oleh hipoklorit atau soda kaustik yang menstabilkan peluntur. Bahan tidak menghakis, dan hayat perkhidmatan ditentukan oleh faktor mekanikal dan bukannya serangan kimia.
Satu-satunya mekanisme degradasi untuk PTFE dalam perkhidmatan hipoklorit ialah resapan hipoklorit dan kaustik ke dalam kawasan amorfus polimer. Penyebaran adalah perlahan, dan kesan pada sifat mekanikal adalah sederhana. Hayat perkhidmatan penukar haba PTFE dalam perkhidmatan hipoklorit biasanya 12–18 tahun.
Jurang Kekonduksian Terma
Kekonduksian terma titanium adalah lebih kurang 22 W/m·K, berbanding 0.25 W/m·K untuk PTFE. Nisbah adalah lebih kurang 88:1.
Untuk penukar haba yang menghantar 40 kW dalam 12% hipoklorit pada 60 darjah , unit titanium memerlukan lebih kurang 3 m² luas permukaan, berdasarkan pekali pemindahan haba keseluruhan 800 W/m²·K dan perbezaan suhu purata log 17 darjah . Unit PTFE untuk tugas yang sama memerlukan lebih kurang 12 m² luas permukaan, berdasarkan pekali keseluruhan 200 W/m·K dan perbezaan suhu yang sama.
Unit PTFE adalah 4 kali lebih besar daripada unit titanium. Saiz yang lebih besar meningkatkan kos modal, ruang lantai, dan isipadu bendalir. Fluks haba yang lebih rendah mengurangkan suhu dinding tiub, yang bermanfaat untuk proses, tetapi kawasan permukaan yang lebih besar juga menyediakan lebih banyak permukaan untuk mendapan dan memerlukan lebih banyak masa untuk membersihkan.
Masalah Penguraian pada Suhu Tinggi
Natrium hipoklorit terurai pada kadar yang meningkat dengan suhu. Pada 60 darjah, kadar penguraian adalah kira-kira 2% setiap hari. Pada 70 darjah , kadarnya adalah kira-kira 5% setiap hari. Pada 80 darjah, kadarnya adalah lebih kurang 10% sehari. Penguraian menghasilkan gas klorin dan asid hidroklorik, yang menghakis kedua-dua bahan.
Kadar penguraian mengehadkan suhu operasi praktikal untuk kedua-dua titanium dan PTFE. Pada suhu melebihi 70 darjah, kadar penguraian cukup tinggi sehingga kepekatan hipoklorit mesti diisi semula secara berterusan, dan gas klorin mesti dialihkan. Pemilihan bahan mesti mengambil kira gas klorin dan hasil penguraian.
Titanium sangat mudah terdedah kepada asid hidroklorik yang dihasilkan oleh penguraian. Asid merendahkan pH dan mempercepatkan kakisan titanium. PTFE tahan kepada asid hidroklorik dan gas klorin, jadi penguraian tidak menjejaskan hayat perkhidmatan PTFE.
Membandingkan Dua Bahan dalam Perkhidmatan Peluntur Hipoklorit
Jadual berikut meringkaskan prestasi dan ciri kos penukar haba PTFE dan titanium dalam perkhidmatan peluntur hipoklorit pada 60 darjah dengan 12% natrium hipoklorit.
| Ciri | Penukar Haba Titanium | Penukar Haba PTFE | Kelebihan |
|---|---|---|---|
| Kekonduksian terma | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | titanium |
| Pekali pemindahan haba keseluruhan | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | titanium |
| Luas permukaan diperlukan untuk 40 kW | 3 m² | 12 m² | titanium |
| Rintangan kimia kepada 12% hipoklorit pada 60 darjah | Cemerlang | Cemerlang | sama |
| Rintangan kimia kepada 15% hipoklorit pada 80 darjah | miskin | Cemerlang | PTFE |
| Rintangan kimia terhadap gas klorin | Sederhana | Cemerlang | PTFE |
| Suhu operasi maksimum | 70 darjah (praktikal) | 260 darjah | PTFE |
| Kekuatan mekanikal | tinggi | Sederhana | titanium |
| Rintangan kejutan terma | Sederhana | tinggi | PTFE |
| Kebolehbaikan | Terhad | bagus | PTFE |
| Hayat perkhidmatan dalam perkhidmatan hipoklorit | 5–8 tahun | 12–18 tahun | PTFE |
| Kos modal untuk duti 40 kW | $32,000 | $34,000 | titanium |
| Kos pemasangan | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Kos penyelenggaraan tahunan | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Jumlah kos lima-tahun | $76,000 | $55,500 | PTFE |
Jumlah nilai kos lima-tahun mengandaikan nilai pengeluaran sebanyak $600 sejam dan termasuk kos modal, kos pemasangan dan kos penyelenggaraan dalam tempoh lima tahun.
Apabila Titanium Adalah Pilihan Yang Lebih Baik
Titanium adalah pilihan yang lebih baik dalam beberapa aplikasi tertentu.
Perkhidmatan suhu-rendah.Pada suhu di bawah 50 darjah, titanium menahan hipoklorit tanpa kesukaran, dan kekonduksian terma yang lebih tinggi mengurangkan luas permukaan yang diperlukan dan kos modal.
Perkhidmatan kepekatan-rendah.Pada kepekatan di bawah 10%, titanium menahan hipoklorit pada suhu sehingga 60 darjah, dan kekonduksian terma yang lebih tinggi mengurangkan luas permukaan yang diperlukan.
Ruang-pemasangan terhad.Apabila ruang yang tersedia sangat terhad, unit titanium yang lebih kecil mungkin satu-satunya pilihan yang boleh dilaksanakan. Unit PTFE memerlukan 4 kali luas permukaan, yang mungkin tidak sesuai dengan ruang yang tersedia.
Perkhidmatan tekanan tinggi-Titanium mempunyai kekuatan mekanikal yang lebih tinggi daripada PTFE dan boleh menahan tekanan yang lebih tinggi. Untuk perkhidmatan hipoklorit pada tekanan melebihi 10 bar, titanium mungkin satu-satunya pilihan yang berdaya maju.
Apabila PTFE Adalah Pilihan Yang Lebih Baik
PTFE ialah pilihan yang lebih baik dalam beberapa aplikasi tertentu.
Perkhidmatan suhu tinggi-.Pada suhu melebihi 60 darjah, PTFE menahan produk penguraian lebih baik daripada titanium, dan hayat perkhidmatan lebih lama.
Perkhidmatan tumpuan- tinggi.Pada kepekatan melebihi 12%, PTFE menentang hipoklorit dan kaustik lebih baik daripada titanium.
Pendedahan gas klorin.Jika penguraian menghasilkan gas klorin, PTFE menahan gas lebih baik daripada titanium.
Perkhidmatan berbasikal haba.PTFE mempunyai rintangan kejutan haba yang lebih tinggi daripada titanium, yang menjadikannya sesuai untuk perkhidmatan dengan perubahan suhu yang kerap.
Keperluan hayat perkhidmatan yang panjang.Apabila penukar haba dijangka mempunyai hayat perkhidmatan selama 10 tahun atau lebih, PTFE adalah pilihan yang lebih baik kerana ia menahan serangan kimia dalam tempoh yang lebih lama.
Ciri Reka Bentuk Yang Memanjangkan Hayat Perkhidmatan
Beberapa ciri reka bentuk memanjangkan hayat perkhidmatan kedua-dua penukar haba PTFE dan titanium dalam perkhidmatan peluntur hipoklorit.
Suhu operasi yang lebih rendah.Mengurangkan suhu operasi daripada 70 darjah kepada 50 darjah mengurangkan kadar penguraian dan serangan kimia pada bahan penukar haba.
Kepekatan yang lebih rendah.Mengurangkan kepekatan hipoklorit daripada 15% kepada 10% mengurangkan serangan kimia dan kadar penguraian.
kawalan pH.Mengekalkan pH melebihi 10 mengurangkan kakisan titanium dan penguraian hipoklorit.
Kawalan halaju aliran.Mengekalkan halaju aliran sederhana mengurangkan ketebalan lapisan sempadan dan kepekatan produk penguraian pada permukaan tiub.
Pada-tempat peruntukan pembersihan.Sambungan untuk bekalan dan pemulangan penyelesaian pembersihan membolehkan penukar haba dibersihkan tanpa dibongkar, yang mengurangkan masa henti dan kehilangan pengeluaran.
Parameter Spesifikasi untuk Perkhidmatan Peluntur Hipoklorit
Jurutera peralatan yang menilai penukar haba PTFE dan titanium untuk perkhidmatan peluntur hipoklorit harus mengesahkan parameter berikut dengan pembekal.
Kepekatan hipoklorit.Nyatakan kepekatan maksimum dan julat yang dijangkakan.
Suhu operasi.Nyatakan suhu operasi maksimum dan profil suhu yang dijangkakan.
pH.Nyatakan julat pH dan kaedah kawalan.
Tekanan operasi.Nyatakan tekanan operasi maksimum.
Beban haba dan luas permukaan.Nyatakan beban haba dan luas permukaan yang diperlukan untuk setiap pilihan bahan.
Kadar penguraian.Nyatakan kadar penguraian yang dijangkakan dan kadar penjanaan gas klorin.
Kekangan ruang.Nyatakan ruang yang ada dan jejak maksimum yang dibenarkan.
Keperluan hayat perkhidmatan.Nyatakan jangka hayat perkhidmatan dan jadual penggantian.
Memadankan Pemilihan Bahan dengan Keadaan Perkhidmatan Hipoklorit
Pemilihan antara penukar haba PTFE dan titanium dalam perkhidmatan peluntur hipoklorit bergantung pada suhu, kepekatan, pH dan keperluan hayat perkhidmatan. Titanium mempunyai kekonduksian terma yang lebih tinggi dan memerlukan kurang luas permukaan, tetapi ia terdedah kepada kakisan pada suhu tinggi dan kepekatan tinggi. PTFE mempunyai kekonduksian terma yang lebih rendah dan memerlukan lebih luas permukaan, tetapi ia tahan terhadap hipoklorit pada semua kepekatan dan suhu.
Keputusan pemilihan hendaklah berdasarkan analisis-khusus kemudahan yang menggabungkan kos modal, kos penyelenggaraan dan pendedahan kerugian pengeluaran. Model hamparan mudah dengan komponen kos ini menyediakan maklumat yang diperlukan untuk membuat keputusan.
Untuk kemudahan perkhidmatan peluntur hipoklorit yang menilai pilihan penukar haba, pemilihan bahan hendaklah berdasarkan jumlah kos pemilikan sepanjang jangka hayat perkhidmatan, bukan hanya kos modal atau prestasi terma. Unit titanium dengan kos modal yang lebih rendah mungkin mempunyai kos seumur hidup yang lebih tinggi jika ia memerlukan penggantian yang kerap.
Jurutera peralatan dan pakar perolehan yang menilai spesifikasi penukar haba PTFE untuk peluntur hipoklorit atau perkhidmatan pengoksidaan lain boleh meminta semakan reka bentuk yang meliputi kepekatan hipoklorit, suhu operasi, pH, tekanan operasi dan keperluan hayat perkhidmatan untuk mengesahkan pemilihan bahan dipadankan dengan keadaan perkhidmatan dan struktur kos sebenar kemudahan tersebut.
