Предизвикателството на солната киселина
Солната киселина при концентрации над 5% и температури над 60 градуса е една от най-агресивните индустриални среди за метални материали. Хлоридният йон, малък и много подвижен, прониква през пасивните филми, инициира питинг и поддържа автокаталитична корозия на пукнатини. Стандартните неръждаеми стомани и титан се атакуват бързо.
Титан-паладиевата сплав (степен 7 или степен 11) е разработена специално за разширяване на корозионната устойчивост на титана в редуциращи киселинни среди. Малката добавка на паладий-0,12-0,25% катодно модифицира сплавта, измествайки нейния корозионен потенциал в пасивния диапазон. Сплавта може да се справи с концентрации и температури на HCl, които са невъзможни за търговски чист титан.
PTFE не изисква легиране, за да устои на HCl. Неговите въглерод-флуорни връзки са непроницаеми за хлоридна атака при всяка концентрация и температура до 260 градуса. Изборът между Ti-Pd сплав и PTFE за работа с HCl не е свързан с възможността за корозия-и двете могат да оцелеят. Става въпрос за надеждността на корозията, разходите и последствията от неизбежните разлики в режима на отказ.
Ограничението на Ti-Pd пасивния филм
Титан-паладиевата сплав е устойчива на HCl чрез стабилизиран пасивен TiO₂ филм. Паладият, присъстващ като фино диспергирана втора фаза, осигурява катодни места, които изместват потенциала на отворената{2}} верига на сплавта в пасивната област. Механизмът е електрохимичен, а не термодинамичен. Пасивният филм трябва да се поддържа непрекъснато.
В горещ HCl пасивният филм е в динамично равновесие с киселината. Разтваря се бавно и се преобразува непрекъснато. Сплавта корозира с много ниска, но измерима скорост-обикновено 0,01-0,05 mm/година в 10% HCl при 80 градуса. За 10-годишен експлоатационен живот тази равномерна корозия отнема 0,1-0,5 mm дебелина на стената.
Равномерната скорост на корозия е управляема с допустими корозионни параметри. По-големият риск е локализирана повреда. Ако частица желязо от стоманен инструмент се вгради в повърхността, тя образува активен галваничен елемент. Ако се образува пукнатина под уплътнение или отлагания, запушената химия става по-агресивна. Ако разпределението на паладия е не-равномерно-производствен дефект-локалните незащитени зони корозират бързо. Тези локализирани механизми на отказ са вероятностни, а не детерминистични. Два идентични Ti-Pd обменника при идентично обслужване могат да имат различен експлоатационен живот.
Таблица 1: PTFE спрямо титан-паладий в горещ HCl (10% HCl, 80 градуса)
| Параметър за сравнение | Титан-Паладий (Клас 7) | PTFE |
|---|---|---|
| Корозионен механизъм | Пасивна филмова стабилизация от Pd | Присъща стабилност на въглерод-флуорна връзка |
| Единна скорост на корозия (mm/година) | 0.01-0.05 | 0 |
| Локализиран риск от корозия | Възможна корозия на пукнатини; Fe чувствителност към замърсяване | Няма |
| Максимална работна температура в HCl | ~100 градуса (в зависимост от концентрацията) | 260 градуса |
| Гранична концентрация на HCl | 15-20% при 80 градуса | Всякаква концентрация |
| Топлопроводимост (W/m·K) | 21 | 0.25 |
| Необходима относителна повърхност | 1.0× | 3-4× (по-голям отпечатък) |
| Разходи за материали (относителни) | 15-25× | 1× |
| Сложност на изработката | Високо (специализирано заваряване; Pd проверка на хомогенността) | Умерен |
| Предсказуемост на повредата | Вероятностна (локализирана разбивка) | Детерминистичен (изчислим живот при пълзене) |
| Предвидимост на експлоатационния живот | 5-10 години с несигурност | 15+ години с изчисление,-базирано на дизайн |
Контрастът на режима на отказ
Когато Ti-Pd топлообменник се повреди при работа с HCl, повредата обикновено е изтичане на дупка от локализирана питингова или цепнатина корозия. Течът може да е внезапен-яма, която достига през-стената без значително общо изтъняване. Процесният флуид навлиза в кондензната-система за пара. Производството спира. Топлообменникът трябва да се смени.
Когато PTFE топлообменник достигне края на живота си-обикновено след 10-15 години или повече, режимът на повреда е постепенен: изтъняване на стената от пълзене, открито чрез ултразвуково измерване по време на планирана проверка. Тръбата се сменя преди да протече. Няма непланиран престой.
Разликата в предвидимостта има икономическа стойност. Планираната подмяна по време на плановата поддръжка струва малка част от спешната подмяна по време на производството. За процеси, при които непланираният престой струва $5 000-10 000 на час, предвидимостта на повредата на PTFE е значително финансово предимство.
Сравнение на разходите през експлоатационния живот
Топлообменникът от Ti-Pd сплав има материална цена 15-25 пъти по-висока от PTFE на килограм, но изисква по-малка повърхност поради по-високата топлопроводимост. Първоначалната цена на оборудването за Ti-Pd обикновено е 4-8 пъти по-висока от PTFE за същото топлинно натоварване.
В продължение на 15-годишен експлоатационен живот обменникът Ti-Pd може да изисква една или две непланирани смени поради локализирана корозия, като всяка от тях води до престой и разходи за монтаж. PTFE топлообменникът не изисква подмяна, а само планирани проверки.
Общите разходи за жизнения цикъл, включително първоначалното оборудване, инсталацията, планираната поддръжка и вероятността{0}}претеглената цена на непланирани повреди, облагодетелстват PTFE с коефициент 2-3 в повечето HCl приложения в рамките на работния диапазон на PTFE.
Резюме
PTFE топлообменниците предлагат превъзходна надеждност спрямо титанова-паладиева сплав при работа с гореща HCl, тъй като корозионната устойчивост на PTFE е термодинамична и абсолютна, докато Ti-Pd разчита на електрохимична пасивация, която може да се разруши локално. Предимството на първоначалната цена на по-високата топлопроводимост на Ti-Pd се компенсира от по-ниската цена на материала на PTFE, по-дълъг експлоатационен живот и предвидим режим на повреда, който елиминира непланирания престой.
За концентрации на HCl и температури в границите на PTFE от 260 градуса, PTFE осигурява икономично и оперативно превъзходно решение. Ti-Pd е запазен за приложения, надвишаващи температурната граница на PTFE или изискващи механичните свойства на метала.
Инженерен анализ за избор на сервизен материал за HCl е достъпен при подаване на данни за концентрация на киселина, температура, налягане, топлинна мощност и текущи данни за експлоатационния живот на оборудването.
