Разяждащата-сулфидна среда
В целулозно-хартиената промишленост производството на крафт целулоза произвежда бяла луга-разтвор на натриев хидроксид и натриев сулфид при концентрации от 50-100 g/L всеки, работещ при 80-100 градуса. Натриевият сулфид е силен редуциращ агент. Натриевият хидроксид е мощна основа. Заедно те създават среда, която атакува много материали чрез комбинирани химически механизми.
За топлообменници в тази услуга се използва непроницаем въглерод-графит, импрегниран със свързващо вещество от фенолна или фуранова смола-. Графитът осигурява топлопроводимост и химическа устойчивост. Свързващото вещество от смола осигурява непропускливост. Свързващото вещество е слабото звено. Горещи алкални сулфидни разтвори атакуват смолата, причинявайки прогресивно разграждане на композита.
PTFE няма свързващо вещество от смола, което да се разгради. Хомогенният флуорополимер е химически инертен към сода каустик и натриев сулфид при всички концентрации и температури до 260 градуса.
Механизмът на разграждане на свързващото смола
Фенолната смола, най-често срещаното свързващо вещество в непроницаемия въглерод, се образува от кондензацията на фенол и формалдехид. Полученият полимер съдържа ароматни пръстени, свързани с метиленови мостове, с фенолни хидроксилни групи. В горещ алкален разтвор хидроксилните групи се депротонират, образувайки фенолатни йони. Фенолатните групи повишават разтворимостта на смолата във водната фаза.
Натриевият сулфид ускорява разграждането. Сулфидните йони са нуклеофилни и могат да атакуват метиленовите мостове, разрушавайки напречните връзки, които придават на смолата нейната механична здравина. Сулфидът може също да редуцира всякакви окислени функционални групи в смолата, променяйки нейната структура. Комбинираният ефект на алкали и сулфиди разгражда смолата по-бързо, отколкото алкали самостоятелно.
Тъй като смолата се разгражда, графитните частици губят своето свързващо вещество. Повърхността става грапава, тъй като частиците се освобождават. Развива се порьозност. В крайна сметка взаимосвързаната порьозност позволява на технологичния флуид да проникне през стената на тръбата. Топлообменникът тече и трябва да се смени.
| Параметър на разграждане | Непроницаем въглерод (фенолна смола) | PTFE |
|---|---|---|
| Свързващо вещество/структура на материала | Фенолна смола в графитна матрица | Хомогенен флуорополимер |
| Алкална устойчивост на свързващо вещество | Слабо (образуване на фенолат, разтворимост) | N/A (без класьор) |
| Сулфиден атакуващ механизъм | Нуклеофилна атака върху метиленовите мостове | Никаква реакция |
| Състояние на повърхността след 2 години | Грапав, порест | Гладка, непроменена |
| Срок на експлоатация в бяла луга при 90 градуса (години) | 3-6 | 15+ |
Основата на устойчивостта на PTFE
PTFE няма химическа функционалност, която може да реагира със сода каустик или натриев сулфид. C-F връзките са стабилни срещу нуклеофилна атака от хидроксидни и сулфидни йони. Полимерът няма ароматни пръстени, няма хидроксилни групи и няма кръстосани връзки, които да се разрушат. Това е линеен, наситен флуоровъглерод, който е термодинамично инертен в тази среда.
Липсата на свързваща фаза означава, че няма предпочитан път на разграждане. Цялата стена на тръбата е от същия материал. Повърхността се разгражда равномерно с нулева скорост. Тръбата остава непропусклива и механично здрава през целия живот на оборудването.
Ползата от поддръжката и надеждността
Непроницаемите въглеродни обменници в услугата за бяла луга изискват периодична проверка за разграждане на смолата. Състоянието на повърхността се следи и топлообменникът се сменя, когато се развие значителна порьозност. Подмяната е планирано събитие, но се случва няколко пъти през живота на завода за целулоза.
PTFE топлообменниците не изискват подмяна за химическо разграждане. Срокът на експлоатация се определя от механичното пълзене, което е предвидимо и управляемо. Интервалът на поддръжка се простира от години до десетилетия. Намаляването на случаите на подмяна спестява както разходите за оборудване, така и прекъсванията на производството.
Резюме
PTFE топлообменниците превъзхождат непроницаемия въглерод в гореща сода каустик с разтворен натриев сулфид, тъй като хомогенният флуорополимер няма свързващо вещество от смола, което да се разгради. Фенолната смола в непроницаемия въглерод се атакува от алкали и сулфиди, което води до порьозност и изтичане в рамките на 3-6 години. PTFE осигурява 15+ години експлоатационен живот с нулево химическо разграждане. Елиминирането на повреда, свързана с свързващото устройство, удължава интервалите за поддръжка и намалява общите разходи за притежание.
Инженерна поддръжка за спецификация на PTFE топлообменник в целулоза и хартия и други приложения с алкални сулфиди е достъпна при подаване на данни за състава на течността, температурата и текущия експлоатационен живот на оборудването.
