Een ingenieur in een galvaniseerbedrijf specificeerde een vervangende PTFE-dompelverwarmer voor een zwavelzuuranodisatiebad van 25 graden. Uit de corrosiegrafiek van de leverancier bleek dat PTFE "uitstekend" was bij alle zwavelzuurconcentraties en temperaturen. De ingenieur bestelde de verwarming, installeerde hem en hij functioneerde drie jaar lang goed. Een tweede ingenieur, die een verwarming voor een andere tank specificeerde, gebruikte dezelfde kaart en bestelde dezelfde verwarming voor een bad met 50% zwavelzuur op 90 graden. De verwarming viel binnen acht maanden uit. Op de kaart stond 'uitstekend'. De werkelijkheid lag genuanceerder.
Corrosiegrafieken zijn nuttige hulpmiddelen, maar ze zijn vaak te eenvoudig. Ze beoordelen materialen als uitstekend, goed, redelijk of niet aanbevolen over een breed concentratie- en temperatuurbereik. PTFE wordt niet afgebroken in zwavelzuur in de conventionele zin-het lost niet op en corrodeert niet. Maar het dringt wel door en de permeatiesnelheid is afhankelijk van de concentratie en de temperatuur. Een grafiek die PTFE over het gehele zwavelzuurspectrum als "uitstekend" beoordeelt, negeert het permeatietraject dat de levensduur bij hoge temperaturen beperkt.
Hoe u een corrosiegrafiek correct kunt lezen
Een corrosiegrafiek is een startpunt, geen specificatie. Het geeft aan of een materiaal onder brede omstandigheden chemisch compatibel is met een chemie. Het vertelt niet hoe lang het materiaal meegaat, wat de permeatiesnelheid is of wat het faalmechanisme zal zijn.
Voor PTFE in zwavelzuur moet de grafiek worden geïnterpreteerd met het oog op de temperatuur. Bij kamertemperatuur en gematigde concentraties is PTFE in wezen inert. Bij hogere temperaturen wordt permeatie de beperkende factor. De grafiek kan nog steeds "uitstekend" zeggen omdat het polymeer niet oplost, maar de levensduur kan beperkt zijn door binnendringend vocht en falende isolatie.
| Zwavelzuurconcentratie | Temperatuur | PTFE chemische weerstand | Permeatiesnelheid | Verwachte levensduur |
|---|---|---|---|---|
| 10–30% | 25-50 graden | Uitstekend | Zeer laag | 5–10 jaar |
| 10–30% | 60-80 graden | Uitstekend | Laag | 3–6 jaar |
| 30–50% | 25-50 graden | Uitstekend | Laag | 4–8 jaar |
| 30–50% | 60-80 graden | Uitstekend | Gematigd | 2–4 jaar |
| 50–70% | 25-50 graden | Uitstekend | Gematigd | 3–5 jaar |
| 50–70% | 60-90 graden | Uitstekend | Hoog | 1–3 jaar |
| >70% | 25-50 graden | Uitstekend | Matig-hoog | 2–4 jaar |
| >70% | 60-90 graden | Uitstekend | Zeer hoog | 6–18 maanden |
PTFE-permeatie en levensduur in zwavelzuur door concentratie en temperatuur
Het permeatiemechanisme in zwavelzuur
Zwavelzuur dringt door in PTFE terwijl water- en zuurmoleculen door de polymeermatrix diffunderen. De snelheid is afhankelijk van de temperatuur, concentratie en dikte van de mantel. Bij lage temperaturen en concentraties is de permeatiesnelheid zo laag dat de verwarmer jarenlang meegaat. Bij hoge temperaturen en concentraties versnelt de snelheid en bereikt vocht binnen enkele maanden de MgO-isolatie.
De permeatiesnelheid verdubbelt ruwweg bij elke temperatuurstijging van 10 graden. Het neemt ook toe met de zuurconcentratie, hoewel de relatie niet lineair is. Bij een concentratie van 50% kan de permeatiesnelheid twee tot drie keer hoger zijn dan bij 20% bij dezelfde temperatuur.
De dikte van de mantel verschaft een diffusiepadlengte. Een omhulsel van 2,5 mm heeft meer tijd nodig om door te dringen dan een omhulsel van 1,5 mm. Maar een dikkere mantel verhoogt ook de temperatuur van de mantel door thermische weerstand toe te voegen, waardoor de permeatiesnelheid toeneemt. De optimale dikte compenseert deze effecten.
Wat de grafiek u niet vertelt
Een corrosiegrafiek vertelt u niet:
De permeatiesnelheid bij uw specifieke temperatuur en concentratie
De verwachte levensduur in uw toepassing
Het effect van de dikte van de mantel op de permeatie
Het effect van wattdichtheid op de manteltemperatuur en permeatie
Het effect van stromingsomstandigheden op de warmteoverdracht en de manteltemperatuur
Deze factoren bepalen of een PTFE-verwarmer twee of tien jaar meegaat. Het diagram is een screeningsinstrument. De specificatie vereist een meer gedetailleerde analyse.
Praktische selectiestappen voor zwavelzuurservice
Bepaal de werkelijke concentratie en het temperatuurbereik van het bad. Gebruik de hoogste concentratie en temperatuur die optreedt tijdens normaal gebruik, niet het gemiddelde.
Schat de permeatiesnelheid op basis van de temperatuur en concentratie. Als de verwachte levensduur minder dan drie jaar bedraagt, overweeg dan een lagere wattdichtheid, een dikkere mantel of een ander materiaal.
Bereken uit het wattage en de veilige wattdichtheid het benodigde oppervlak. In zwavelzuur bij 60–80 graden houdt een wattdichtheid van 1,0–1,2 W/cm² de temperatuur van de mantel binnen een bereik dat de permeatie beperkt.
Houd rekening met de dikte van de mantel. Een omhulsel van 2,0–2,5 mm zorgt voor een langer permeatiepad maar voegt thermische weerstand toe. Een omhulsel van 1,5–2,0 mm vermindert de thermische weerstand maar verkort het permeatiepad. Het optimale hangt af van de temperatuur en de vereiste levensduur.
Controleer de isolatieweerstand na installatie. Een geleidelijke daling in de loop van de maanden geeft aan dat de permeatie vordert. Een stabiele waarde geeft aan dat de verwarming binnen veilige grenzen werkt.
| Selectieparameter | Lage-Tijdelijke service (<50°C) | Gemiddeld-Tijdelijke service (50-70 graden) | Hoge-temperatuurservice (70-90 graden) |
|---|---|---|---|
| Watt dichtheid | 1,4–1,6 W/cm² | 1,0–1,3 W/cm² | 0,8–1,0 W/cm² |
| Dikte van de mantel | 1,5–2,0 mm | 2,0–2,5 mm | 2,5–3,0 mm |
| Oppervlakte voor 5 kW | 3.100–3.600 cm² | 3.800–5.000 cm² | 5.000–6.250 cm² |
| Verwachte levensduur | 5–10 jaar | 3–5 jaar | 1,5–3 jaar |
Specificatieparameters van PTFE-dompelverwarmer voor zwavelzuurservice
Wanneer de kaart "Uitstekend" zegt, maar de verwarming defect is
Een verwarming die ondanks de beoordeling op de kaart voortijdig faalt in de zwavelzuurfunctie, wordt meestal beperkt door permeatie en niet door chemische aantasting. Het polymeer is intact. De isolatieweerstand is afgenomen. De storing is elektrisch, niet chemisch.
De oplossing is om de permeatiesnelheid te verlagen door de temperatuur van de mantel te verlagen, de dikte van de mantel te vergroten, of beide. Een lagere wattdichtheid verlaagt de manteltemperatuur. Een dikkere mantel vergroot het permeatiepad. Samen verlengen ze de tijd voordat vocht het MgO bereikt.
Een op maat gemaakte PTFE-dompelverwarmerconfiguratie met een lage wattdichtheid, dikke omhulsels en grote oppervlakken is geschikt voor zwavelzuur bij hoge- temperaturen waarbij standaardverwarmers voortijdig falen. Het specificatieproces vereist de zuurconcentratie, bedrijfstemperatuur, tankafmetingen en het vereiste wattage.
