De twee strategieën voor corrosiebestendigheid
Hastelloy C-276 en C-22 zijn bestand tegen zoutzuur door de vorming van een passieve oxidefilm die verrijkt is met molybdeen en chroom. De film is stabiel in zoutzuur bij concentraties tot 20% en temperaturen tot 100 graden. Bij hogere concentraties of temperaturen wordt de film plaatselijk afgebroken en corrodeert de legering.
PTFE is bestand tegen zoutzuur vanwege chemische inertie. De koolstof-fluorbindingen worden niet aangetast door het zuur en de polymeerstructuur wordt niet afgebroken door de chemische omgeving. Het materiaal vormt geen passieve film en er is geen film die kan worden afgebroken. De weerstand is inherent aan de moleculaire structuur.
De twee strategieën hebben verschillende faalwijzen. Hastelloy faalt wanneer de passieve film op een plaatselijke locatie afbreekt, wat leidt tot putcorrosie of spleetcorrosie. PTFE faalt door mechanische mechanismen zoals thermische vermoeidheid, kruip of mechanische schade, niet door chemische aantasting.
De vergelijking van de corrosiesnelheid
De corrosiesnelheid van Hastelloy C-276 in zoutzuur hangt af van de concentratie, de temperatuur en het opgeloste zuurstofgehalte. Bij 10% HCl en 60 graden is de corrosiesnelheid doorgaans minder dan 0,05 mm per jaar. Bij 15% HCl en 80 graden neemt het percentage toe tot 0,1–0,3 mm per jaar. Bij 20% HCl en 100 graden kan de snelheid hoger zijn dan 0,5 mm per jaar.
De corrosiesnelheid van PTFE in zoutzuur is nul. Het materiaal corrodeert niet en de levensduur wordt bepaald door mechanische factoren in plaats van door chemische aantasting.
Het verschil in corrosiesnelheid is de belangrijkste reden dat PTFE wordt gespecificeerd voor de meest agressieve zoutzuurtoepassing. Bij hoge concentraties en hoge temperaturen is de Hastelloy-corrosiesnelheid hoog genoeg om de levensduur te beperken tot 2 à 5 jaar, terwijl de PTFE-levensduur 10 à 15 jaar bedraagt.
De thermische geleidbaarheidskloof
De thermische geleidbaarheid van Hastelloy C-276 bedraagt ongeveer 10 W/m·K, vergeleken met 0,25 W/m·K voor PTFE. De verhouding bedraagt ongeveer 40:1.
Voor een warmtewisselaar die 30 kW levert in 15% zoutzuur bij 60 graden, heeft een Hastelloy-unit ongeveer 2,5 m² oppervlakte nodig, gebaseerd op een totale warmteoverdrachtscoëfficiënt van 600 W/m²·K en een log gemiddeld temperatuurverschil van 20 graden. Een PTFE-unit voor hetzelfde gebruik heeft ongeveer 7,5 m² oppervlakte nodig, gebaseerd op een totale coëfficiënt van 200 W/m·K en hetzelfde temperatuurverschil.
De PTFE-eenheid is 3 keer groter dan de Hastelloy-eenheid. 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.
Vergelijking van de twee materialen bij het beitsen met zoutzuur
De volgende tabel vat de prestatie- en kostenkenmerken samen van PTFE- en Hastelloy C-276-warmtewisselaars bij zoutzuurbeitsen bij 60 graden met 15% HCl.
| Kenmerkend | Hastelloy C-276 warmtewisselaar | PTFE-warmtewisselaar | Voordeel |
|---|---|---|---|
| Thermische geleidbaarheid | 10 W/m·K | 0.25 W/m·K | Hastelloy |
| Algemene warmteoverdrachtscoëfficiënt | 600 W/m²·K | 200 W/m²·K | Hastelloy |
| Oppervlakte benodigd voor 30 kW | 2.5 m² | 7.5 m² | Hastelloy |
| Chemische bestendigheid tegen 15% HCl bij 60 graden | Uitstekend | Uitstekend | Gelijkwaardig |
| Chemische bestendigheid tegen 20% HCl bij 80 graden | Gematigd | Uitstekend | PTFE |
| Maximale bedrijfstemperatuur | 100 graden (voor 15% HCl) | 260 graden | PTFE |
| Mechanische sterkte | Hoog | Gematigd | Hastelloy |
| Bestand tegen thermische schokken | Gematigd | Hoog | PTFE |
| Repareerbaarheid | Beperkt | Goed | PTFE |
| Levensduur in 15% HCl bij 60 graden | 8–12 jaar | 10–15 jaar | PTFE |
| Levensduur in 20% HCl bij 80 graden | 3–5 jaar | 10–15 jaar | PTFE |
| Kapitaalkosten voor een belasting van 30 kW | $38,000 | $26,000 | PTFE |
| Installatiekosten | $4,000 | $3,000 | PTFE |
| Jaarlijkse onderhoudskosten | $2,500 | $1,500 | PTFE |
| Totale kosten over vijf- jaar (15% HCl, 60 graden) | $70,500 | $48,500 | PTFE |
| Totale kosten over vijf- jaar (20% HCl, 80 graden) | $95,000 | $48,500 | 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. In het geval van 20% HCl bij 80 graden wordt uitgegaan van één vervanging van de warmtewisselaar over een periode van vijf jaar voor de Hastelloy-eenheid.
De vergelijking van kapitaalkosten
De vergelijking van de kapitaalkosten geeft de voorkeur aan PTFE bij de meeste zoutzuurbeitstoepassingen. De reden is de prijs van de grondstof. Hastelloy is een legering op nikkel-basis met een hoog molybdeen- en chroomgehalte, en de kosten per kilogram zijn ongeveer 30 keer hoger dan die van PTFE. De Hastelloy-eenheid van 2,5 m² kost meer dan de PTFE-eenheid van 7,5 m² omdat de materiaalkosten van Hastelloy de fabricagekosten domineren.
Het kapitaalkostenvoordeel van PTFE wordt versterkt door de installatiekosten. De Hastelloy-eenheid is zwaarder en vereist een zorgvuldigere behandeling, terwijl de PTFE-eenheid lichter en flexibeler is.
Het verschil in onderhoudskosten
Het verschil in onderhoudskosten is in het voordeel van PTFE. Hastelloy-warmtewisselaars vereisen periodieke inspecties op putcorrosie en spleetcorrosie, en de inspectie omvat wervelstroomtests of ultrasone diktemetingen. Voor de inspectie zijn gespecialiseerde apparatuur en opgeleid personeel vereist.
PTFE-warmtewisselaars behoeven minder frequente inspecties omdat het materiaal niet corrodeert. De inspectie omvat een visueel onderzoek en druktesten, die kunnen worden uitgevoerd door het onderhoudspersoneel van de faciliteit.
Het verschil in onderhoudskosten is vooral aanzienlijk als de Hastelloy-eenheid nieuwe buizen nodig heeft. Hastelloy-buizen zijn duur en vereisen gespecialiseerd laswerk, terwijl PTFE-buizen goedkoper zijn en ter plaatse kunnen worden vervangen.
Het productieverliesrisico
Het risico op productieverlies is groter voor Hastelloy omdat de faalwijze plotselinger is. Hastelloy kan defect raken door putcorrosie of door spanningscorrosie, die beide zonder waarschuwing een plotseling lek kunnen veroorzaken. De plotselinge storing vereist een noodstop en een uitgebreide reparatie.
PTFE faalt geleidelijker. De buiswand wordt langzaam afgebroken en het lek ontstaat in de loop van de tijd. Door het geleidelijke falen kan de warmtewisselaar buiten gebruik worden gesteld tijdens een gepland onderhoudsvenster in plaats van op basis van een noodgeval.
Het verschil in risico op productieverlies is moeilijk te kwantificeren, maar is in het voordeel van PTFE in hoge-productiefaciliteiten waar de kosten voor stilstand hoog zijn.
Wanneer Hastelloy de betere keuze is
Hastelloy is de betere keuze in verschillende specifieke toepassingen.
Lage-concentratieservice.Bij zoutzuurconcentraties van minder dan 5% en temperaturen onder de 40 graden is de Hastelloy-corrosie verwaarloosbaar en is de levensduur 15-20 jaar. In dit geval vermindert de hogere thermische geleidbaarheid van Hastelloy het vereiste oppervlak en de kapitaalkosten.
Installaties met beperkte ruimte-.Wanneer de beschikbare ruimte ernstig beperkt is, kan de kleinere Hastelloy-eenheid de enige haalbare optie zijn. De PTFE-eenheid zou drie keer zoveel oppervlakte nodig hebben, wat mogelijk niet in de beschikbare ruimte past.
Hoge-service.Hastelloy heeft een hogere mechanische sterkte dan PTFE en is bestand tegen hogere drukken. Voor zoutzuurgebruik bij een druk boven de 10 bar is Hastelloy wellicht de enige haalbare optie.
Service op hoge- temperatuur.Hastelloy behoudt zijn mechanische sterkte bij temperaturen boven de 200 graden, terwijl PTFE zachter wordt en kracht verliest. Voor zoutzuurgebruik boven de 200 graden kan Hastelloy of een ander materiaal met hoge temperatuur vereist zijn.
Wanneer PTFE de betere keuze is
PTFE is de betere keuze in een aantal specifieke toepassingen.
Service met hoge-concentratie.PTFE is bij alle concentraties bestand tegen zoutzuur, terwijl Hastelloy wordt aangetast bij concentraties boven de 20%.
Service op hoge- temperatuur.PTFE is bestand tegen zoutzuur bij temperaturen tot 260 graden, terwijl Hastelloy wordt aangetast bij temperaturen boven de 100 graden voor 15% HCl.
Thermische fietsservice.PTFE heeft een hogere thermische schokbestendigheid dan Hastelloy, waardoor het geschikt is voor gebruik bij frequente temperatuurschommelingen.
Herstelbare dienst.PTFE-warmtewisselaars kunnen ter plaatse worden gerepareerd door een gekwalificeerde monteur, waardoor de stilstand en het productieverlies worden verminderd.
Grote warmtebelastingservice.Voor grote warmtebelastingen worden de lagere kapitaalkosten van PTFE belangrijker, en is het grotere oppervlak minder een beperking.
Specificatieparameters voor het beitsen met zoutzuur
Apparatuuringenieurs die PTFE- en Hastelloy-warmtewisselaars evalueren voor het beitsen met zoutzuur moeten de volgende parameters bij de leverancier bevestigen.
Zoutzuurconcentratie.Geef de maximale concentratie en het verwachte bereik op.
Bedrijfstemperatuur.Geef de maximale bedrijfstemperatuur en het verwachte temperatuurprofiel op.
Opgelost zuurstofgehalte.Specificeer de opgeloste zuurstofconcentratie in het zuur.
Warmtebelasting en oppervlakte.Specificeer per materiaaloptie de warmtebelasting en het benodigde oppervlak.
Beperkingen in de ruimte.Geef de beschikbare ruimte en de maximaal toegestane voetafdruk op.
Bedrijfsdruk.Geef de maximale werkdruk op.
Onderhoudsmogelijkheden.Specificeer de onderhoudsmogelijkheden van de faciliteit, inclusief de mogelijkheid om de warmtewisselaar ter plaatse te repareren.
Eis aan levensduur.Geef de verwachte levensduur en het vervangingsschema op.
Materiaalkeuze afstemmen op zuurconcentratie en temperatuur
De keuze tussen PTFE- en Hastelloy-warmtewisselaars bij het beitsen met zoutzuur hangt af van de zuurconcentratie, de temperatuur, de ruimtebeperkingen en de vereiste levensduur. Hastelloy heeft een hogere thermische geleidbaarheid en vereist minder oppervlakte, maar is gevoelig voor corrosie bij hoge concentraties en temperaturen. PTFE heeft een lagere thermische geleidbaarheid en vereist een groter oppervlak, maar is bestand tegen zoutzuur bij alle concentraties en temperaturen.
De selectiebeslissing moet gebaseerd zijn op een faciliteit-specifieke analyse waarin de kapitaalkosten, de installatiekosten, 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 zoutzuurbeitsinstallaties die de opties voor warmtewisselaars evalueren, moet de materiaalkeuze gebaseerd zijn op de totale eigendomskosten over de verwachte levensduur, en niet alleen op de thermische prestaties of de kapitaalkosten. Een Hastelloy-eenheid met een hogere thermische geleidbaarheid kan hogere levensduurkosten hebben als het zuur geconcentreerd en heet is en de eenheid regelmatig moet worden vervangen.
Apparatuuringenieurs en inkoopspecialisten die de specificaties van PTFE-warmtewisselaars evalueren voor het beitsen met zoutzuur of andere corrosieve toepassingen, kunnen een ontwerpbeoordeling aanvragen met betrekking tot de zuurconcentratie, bedrijfstemperatuur, opgeloste zuurstof, warmtebelasting en ruimtebeperkingen om te bevestigen dat de materiaalkeuze is afgestemd op de werkelijke serviceomstandigheden en kostenstructuur van de faciliteit.
