De chemie die titanium aanvalt
Titanium is bestand tegen natriumhypochloriet door de vorming van een passieve oxidefilm die stabiel is in neutrale en alkalische oplossingen. De film is de reden dat titanium goed presteert bij bleekmiddel bij gematigde temperatuur en concentratie. De film breekt af als de temperatuur boven de 70 graden komt, als de concentratie boven de 15% komt, of als de pH onder de 9 zakt.
De corrosiesnelheid van titanium bij gebruik van hypochloriet bij 60 graden en 12% hypochloriet is doorgaans minder dan 0,05 mm per jaar. Bij 80 graden en 15% hypochloriet neemt het percentage toe tot 0,3–0,8 mm per jaar. Bij 90 graden en 15% hypochloriet kan de snelheid hoger zijn dan 1,5 mm per jaar.
De corrosie begint doorgaans bij de buisuiteinden waar de stroomsnelheid laag is en de temperatuur hoog, en bij de buis-naar- buisplaatverbindingen waar de spleetgeometrie de corrosieve stoffen concentreert. De corrosie manifesteert zich als putjes, die de buiswand binnendringen en een lek veroorzaken.
De chemie die PTFE aanvalt
PTFE is bestand tegen natriumhypochloriet bij alle concentraties en temperaturen binnen het servicebereik. De koolstof-fluorverbindingen worden niet aangetast door het hypochloriet of de natronloog die het bleekmiddel stabiliseert. Het materiaal corrodeert niet en de levensduur wordt bepaald door mechanische factoren en niet door chemische aantasting.
Het enige afbraakmechanisme voor PTFE bij gebruik van hypochloriet is de diffusie van het hypochloriet en de bijtende stof naar de amorfe gebieden van het polymeer. De diffusie is langzaam en het effect op de mechanische eigenschappen is bescheiden. De levensduur van een PTFE-warmtewisselaar in hypochlorietbedrijf bedraagt doorgaans 12–18 jaar.
De thermische geleidbaarheidskloof
De thermische geleidbaarheid van titanium bedraagt ongeveer 22 W/m·K, vergeleken met 0,25 W/m·K voor PTFE. De verhouding bedraagt ongeveer 88:1.
Voor een warmtewisselaar die 40 kW levert in 12% hypochloriet bij 60 graden, heeft een titaniumunit ongeveer 3 m² oppervlakte nodig, gebaseerd op een totale warmteoverdrachtscoëfficiënt van 800 W/m²·K en een log gemiddeld temperatuurverschil van 17 graden. Een PTFE-unit voor hetzelfde gebruik heeft ongeveer 12 m² oppervlakte nodig, gebaseerd op een totale coëfficiënt van 200 W/m·K en hetzelfde temperatuurverschil.
De PTFE-eenheid is 4 keer groter dan de titaniumeenheid. Het grotere formaat verhoogt de kapitaalkosten, het vloeroppervlak en het vloeistofvolume. De lagere warmtestroom verlaagt de temperatuur van de buiswand, wat gunstig is voor het proces, maar het grotere oppervlak biedt ook meer oppervlak voor afzettingen en vereist meer tijd om te reinigen.
Het ontbindingsprobleem bij verhoogde temperatuur
Natriumhypochloriet ontleedt met een snelheid die toeneemt met de temperatuur. Bij 60 graden bedraagt de ontbindingssnelheid ongeveer 2% per dag. Bij 70 graden is het tarief ongeveer 5% per dag. Bij 80 graden is het tarief ongeveer 10% per dag. Bij de ontleding komen chloorgas en zoutzuur vrij, die corrosief zijn voor beide materialen.
De ontledingssnelheid beperkt de praktische bedrijfstemperatuur voor zowel titanium als PTFE. Bij temperaturen boven de 70 graden is de ontledingssnelheid zo hoog dat de hypochlorietconcentratie continu moet worden aangevuld en het chloorgas moet worden afgevoerd. Bij de materiaalkeuze moet rekening worden gehouden met het chloorgas en de afbraakproducten.
Titanium is bijzonder gevoelig voor het zoutzuur dat vrijkomt bij de ontleding. Het zuur verlaagt de pH en versnelt de titaniumcorrosie. PTFE is bestand tegen het zoutzuur en het chloorgas, waardoor de ontleding geen invloed heeft op de levensduur van PTFE.
Vergelijking van de twee materialen in hypochlorietbleekmiddel
De volgende tabel vat de prestatie- en kostenkenmerken samen van PTFE- en titaniumwarmtewisselaars bij hypochlorietbleekmiddel bij 60 graden met 12% natriumhypochloriet.
| Kenmerkend | Titanium warmtewisselaar | PTFE-warmtewisselaar | Voordeel |
|---|---|---|---|
| Thermische geleidbaarheid | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Titanium |
| Algemene warmteoverdrachtscoëfficiënt | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Titanium |
| Benodigd oppervlak voor 40 kW | 3 m² | 12 m² | Titanium |
| Chemische bestendigheid tegen 12% hypochloriet bij 60 graden | Uitstekend | Uitstekend | Gelijkwaardig |
| Chemische bestendigheid tegen 15% hypochloriet bij 80 graden | Arm | Uitstekend | PTFE |
| Chemische resistentie tegen chloorgas | Gematigd | Uitstekend | PTFE |
| Maximale bedrijfstemperatuur | 70 graden (praktisch) | 260 graden | PTFE |
| Mechanische sterkte | Hoog | Gematigd | Titanium |
| Bestand tegen thermische schokken | Gematigd | Hoog | PTFE |
| Repareerbaarheid | Beperkt | Goed | PTFE |
| Levensduur bij gebruik van hypochloriet | 5–8 jaar | 12–18 jaar | PTFE |
| Kapitaalkosten voor een belasting van 40 kW | $32,000 | $34,000 | Titanium |
| Installatiekosten | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Jaarlijkse onderhoudskosten | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Totale kosten over vijf- jaar | $76,000 | $55,500 | PTFE |
Bij de totale kostenwaarden over vijf- jaar wordt uitgegaan van een productiewaarde van $ 600 per uur en omvatten de kapitaalkosten, de installatiekosten en de onderhoudskosten over een periode van vijf jaar.
Wanneer titanium de betere keuze is
Titanium is de betere keuze in verschillende specifieke toepassingen.
Service bij lage-temperaturen.Bij temperaturen onder de 50 graden is titanium zonder problemen bestand tegen hypochloriet, en de hogere thermische geleidbaarheid vermindert het vereiste oppervlak en de kapitaalkosten.
Lage-concentratieservice.Bij concentraties onder de 10% is titanium bestand tegen hypochloriet bij temperaturen tot 60 graden, en de hogere thermische geleidbaarheid vermindert het vereiste oppervlak.
Installaties met beperkte ruimte-.Wanneer de beschikbare ruimte ernstig beperkt is, kan de kleinere titaniumeenheid de enige haalbare optie zijn. De PTFE-eenheid zou vier keer zoveel oppervlakte nodig hebben, wat mogelijk niet in de beschikbare ruimte past.
Hoge-service.Titanium heeft een hogere mechanische sterkte dan PTFE en is bestand tegen hogere drukken. Voor hypochloriettoepassingen bij een druk boven de 10 bar kan titanium de enige haalbare optie zijn.
Wanneer PTFE de betere keuze is
PTFE is de betere keuze in een aantal specifieke toepassingen.
Service op hoge- temperatuur.Bij temperaturen boven de 60 graden is PTFE beter bestand tegen de ontledingsproducten dan titanium, en is de levensduur langer.
Service met hoge-concentratie.Bij concentraties boven 12% is PTFE beter bestand tegen hypochloriet en bijtende stoffen dan titanium.
Blootstelling aan chloorgas.Als bij de ontleding chloorgas ontstaat, is PTFE beter bestand tegen het gas dan titanium.
Thermische fietsservice.PTFE heeft een hogere thermische schokbestendigheid dan titanium, waardoor het geschikt is voor gebruik bij frequente temperatuurschommelingen.
Lange levensduur vereist.Wanneer de warmtewisselaar naar verwachting een levensduur van 10 jaar of langer zal hebben, is PTFE de betere keuze omdat dit gedurende een langere periode bestand is tegen de chemische aantasting.
Ontwerpkenmerken die de levensduur verlengen
Verschillende ontwerpkenmerken verlengen de levensduur van zowel PTFE- als titaniumwarmtewisselaars bij gebruik van hypochlorietbleekmiddel.
Lagere bedrijfstemperatuur.Het verlagen van de bedrijfstemperatuur van 70 graden naar 50 graden vermindert de ontledingssnelheid en de chemische aantasting van het materiaal van de warmtewisselaar.
Lagere concentratie.Het verlagen van de hypochlorietconcentratie van 15% naar 10% vermindert de chemische aantasting en de ontledingssnelheid.
pH-controle.Het handhaven van de pH boven 10 vermindert de corrosie van titanium en de ontleding van het hypochloriet.
Regeling van de stroomsnelheid.Het handhaven van een gematigde stroomsnelheid vermindert de dikte van de grenslaag en de concentratie van ontledingsproducten aan het buisoppervlak.
In-plaatselijke schoonmaakvoorzieningen.Dankzij aansluitingen voor aan- en retour van reinigingsoplossing kan de warmtewisselaar worden gereinigd zonder demontage, waardoor de stilstand en het productieverlies worden verminderd.
Specificatieparameters voor hypochlorietbleekmiddel
Apparatuuringenieurs die PTFE- en titaniumwarmtewisselaars evalueren voor gebruik met hypochlorietbleekmiddel, moeten de volgende parameters bij de leverancier bevestigen.
Hypochlorietconcentratie.Geef de maximale concentratie en het verwachte bereik op.
Bedrijfstemperatuur.Geef de maximale bedrijfstemperatuur en het verwachte temperatuurprofiel op.
pH.Specificeer het pH-bereik en de controlemethode.
Bedrijfsdruk.Geef de maximale werkdruk op.
Warmtebelasting en oppervlakte.Specificeer per materiaaloptie de warmtebelasting en het benodigde oppervlak.
Ontbindingssnelheid.Specificeer de verwachte ontledingssnelheid en de snelheid waarmee chloorgas wordt gegenereerd.
Beperkingen in de ruimte.Geef de beschikbare ruimte en de maximaal toegestane voetafdruk op.
Eis aan levensduur.Geef de verwachte levensduur en het vervangingsschema op.
Materiaalkeuze afstemmen op de gebruiksomstandigheden van hypochloriet
De keuze tussen PTFE- en titaniumwarmtewisselaars bij gebruik van hypochlorietbleekmiddel hangt af van de temperatuur, de concentratie, de pH en de vereiste levensduur. Titanium heeft een hogere thermische geleidbaarheid en vereist minder oppervlakte, maar is gevoelig voor corrosie bij hoge temperaturen en hoge concentraties. PTFE heeft een lagere thermische geleidbaarheid en vereist een groter oppervlak, maar is bij alle concentraties en temperaturen bestand tegen hypochloriet.
De selectiebeslissing moet gebaseerd zijn op een faciliteit-specifieke analyse waarin de kapitaalkosten, de onderhoudskosten en de blootstelling aan productieverlies zijn opgenomen. Een eenvoudig spreadsheetmodel met deze kostencomponenten levert de informatie die nodig is om de beslissing te nemen.
Voor hypochlorietbleekservicefaciliteiten die de opties voor warmtewisselaars evalueren, moet de materiaalkeuze gebaseerd zijn op de totale eigendomskosten gedurende de verwachte levensduur, en niet alleen op de kapitaalkosten of de thermische prestaties. Een titaniumeenheid met lagere kapitaalkosten kan hogere levensduurkosten hebben als deze regelmatig moet worden vervangen.
Apparatuuringenieurs en inkoopspecialisten die de specificaties van PTFE-warmtewisselaars evalueren voor hypochlorietbleekmiddel of andere oxiderende diensten kunnen een ontwerpbeoordeling aanvragen met betrekking tot de hypochlorietconcentratie, bedrijfstemperatuur, pH, werkdruk en levensduurvereisten om te bevestigen dat de materiaalkeuze is afgestemd op de werkelijke serviceomstandigheden en kostenstructuur van de faciliteit.
