Околната среда на железен сулфат
Разтворите на железен сулфат се използват при декапиране на стомана, производство на пигмент от титанов диоксид и като ецващи вещества при обработка на метали. Разтворът съдържа фери желязо в концентрации от 50-200 g/L като Fe₂(SO₄)3, със свободна сярна киселина от 20-100 g/L, работеща при 60-90 градуса. Комбинацията от силна окислителна сила на железния йон и киселинността на сярната киселина създава агресивна среда за много материали.
Непроницаемият графит-графит, импрегниран с фенолна или фуранова смола за премахване на порьозността-се използва широко за топлообменници в тази услуга. Самият графит е устойчив както на сярна киселина, така и на железен сулфат. Смолата за импрегниране обаче не споделя тази устойчивост. С течение на времето при повишена температура разтворът на железен сулфат окислява смолата, причинявайки прогресивно разграждане.
PTFE няма импрегнираща смола за разграждане. Целият материал е химически инертен към железен сулфат и сярна киселина. Сравнението между непроницаемия графит и PTFE в тази услуга е между композитен материал, чието свързващо вещество бавно се разрушава и хомогенен материал, който не може да реагира химически с технологичния флуид.
Механизмът на разграждане на смолата
Непроницаемият графит се произвежда чрез импрегниране на порест графит с термореактивна смола-обикновено фенолна или фуран-под вакуум и налягане. Смолата запълва взаимосвързаните пори, правейки материала непропусклив за технологични течности. Графитът осигурява топлопроводимост и химическа устойчивост. Смолата осигурява непропускливост.
Железният сулфат атакува смолата чрез окисляване. Железният йон (Fe³⁺) е силен окислител. Той извлича водород от смолистия полимер, създавайки свободни радикали, които реагират с разтворения кислород, за да образуват карбонилни и карбоксилни групи. Окислената смола става крехка. Появяват се микро-пукнатини. Пукнатините излагат свежата повърхност на смола на разтвора, увековечавайки атаката.
Тъй като смолата се разгражда, се развиват няколко режима на повреда. Смолата-графитната връзка отслабва и графитните частици могат да бъдат освободени в потока на процеса. Загубата на смола от повърхността създава повърхностна порьозност, увеличавайки истинската повърхностна площ и ускорявайки по-нататъшната атака. В крайна сметка през стената на тръбата се развива взаимосвързана порьозност и технологичният флуид изтича през стената на топлообменника.
| Параметър на разграждане | Непроницаем графит (фенолна смола) | Непроницаем графит (фуранова смола) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Свързващо вещество/структура на материала | Фенолна смола в графитна матрица | Фуранова смола в графитна матрица | Хомогенен флуорополимер |
| Устойчивост на окисление на свързващото вещество | Лош (атакуван от Fe³⁺) | Умерен (по-добър от фенолен) | N/A (без класьор) |
| Скорост на разграждане на смолата при 80 градуса в Fe₂(SO₄)3 | 0,1-0,3 mm/година (повърхностна рецесия) | 0,05-0,15 мм/год | 0 |
| Освобождаване на графитни частици | Да (тъй като смолата се разгражда) | Да (намалена ставка) | Няма |
| Състояние на повърхността след 2 години | Порести, грапави | Умерено загрубял | Гладка, непроменена |
| Пропускливост след 3-5 години | Може да се развие чрез-течове по стените | Може да се развие чрез-течове по стените | Никога (нулева пропускливост) |
| Срок на експлоатация в Fe₂(SO₄)3 при 80 градуса (години) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
Обратната връзка за ерозията-композитно разграждане
Разграждането на смолата създава повърхностна порьозност. Порестата повърхност е механично по-слаба от оригиналната повърхност, импрегнирана със смола-. В течащ разтвор на железен сулфат, порестата повърхност ерозира по-бързо, отколкото гладка, непропусклива повърхност. Ерозията премахва разградената смола и частично отделените графитни частици, излагайки свежия материал на химическа атака.
Тази верига за обратна връзка-химическа атака, създаваща порьозност, порьозност, ускоряваща ерозията, ерозия, излагаща свежа повърхност-означава, че скоростта на разграждане на непроницаемия графит е по-бърза, отколкото би предвидила сама скоростта на химическо окисление. Комбинираното химио-механично разграждане определя действителния експлоатационен живот.
PTFE няма такава обратна връзка. Хомогенната полимерна повърхност ерозира бавно и равномерно под потока, без химичен принос към загубата на материал. Скоростта на ерозия се определя единствено от скоростта на флуида и абразивността на всякакви суспендирани твърди частици-фактори, които влияят и на двата материала, но се усложняват от химическа атака само в графита.
Резюме
PTFE топлообменниците превъзхождат непроницаемия графит в горещи разтвори на железен сулфат, тъй като PTFE е хомогенен материал без свързваща смола, която да се окислява. Непроницаемият графит разчита на импрегнант от фенолна или фуранова смола, който прогресивно се атакува от оксидиращия железен йон, създавайки повърхностна порьозност, която ускорява ерозията и в крайна сметка води до -изтичане през стените. PTFE осигурява гладка, химически инертна повърхност, която се разгражда само чрез бавна механична ерозия, осигурявайки 15+ години експлоатационен живот срещу 3-8 години за непроницаемия графит.
Инженерна поддръжка за спецификация на PTFE топлообменник в приложения на железен сулфат и други окислителни разтвори е достъпна при подаване на данни за състава на разтвора, температурата, скоростта на потока и текущите данни за експлоатационния живот на оборудването.
