De ijzersulfaatomgeving
IJzersulfaatoplossingen worden gebruikt bij het beitsen van staal, de productie van titaniumdioxidepigmenten en als etsmiddelen bij het afwerken van metaal. De oplossing bevat ijzerijzer in concentraties van 50-200 g/l als Fe₂(SO₄)₃, met vrij zwavelzuur van 20-100 g/l, werkend bij 60-90 graden. De combinatie van het sterke oxiderende vermogen van het ijzerion en de zuurgraad van het zwavelzuur creëert een agressieve omgeving voor veel materialen.
Ondoordringbaar grafiet-grafiet geïmpregneerd met fenol- of furaanhars om porositeit te elimineren-wordt veel gebruikt voor warmtewisselaars in deze dienst. Grafiet zelf is bestand tegen zowel zwavelzuur als ijzersulfaat. Het harsimpregneermiddel deelt deze weerstand echter niet. Na verloop van tijd bij verhoogde temperatuur oxideert de ijzersulfaatoplossing de hars, waardoor progressieve afbraak ontstaat.
PTFE heeft geen harsimpregneermiddel dat kan worden afgebroken. Het gehele materiaal is chemisch inert voor ijzersulfaat en zwavelzuur. De vergelijking tussen ondoordringbaar grafiet en PTFE in deze dienst is die tussen een composietmateriaal waarvan het bindmiddel langzaam bezwijkt en een homogeen materiaal dat niet chemisch kan reageren met de procesvloeistof.
Het harsafbraakmechanisme
Ondoordringbaar grafiet wordt vervaardigd door poreus grafiet te impregneren met een thermohardende hars-meestal fenol of furan-onder vacuüm en druk. De hars vult de onderling verbonden poriën, waardoor het materiaal ondoordringbaar wordt voor procesvloeistoffen. Het grafiet zorgt voor thermische geleidbaarheid en chemische weerstand. De hars zorgt voor ondoordringbaarheid.
IJzersulfaat tast de hars aan door oxidatie. Het ijzerion (Fe³⁺) is een sterke oxidator. Het onttrekt waterstof uit het harspolymeer, waardoor vrije radicalen ontstaan die reageren met opgeloste zuurstof om carbonyl- en carboxylgroepen te vormen. De geoxideerde hars wordt bros. Er ontstaan micro-scheurtjes. De scheuren stellen het verse harsoppervlak bloot aan de oplossing, waardoor de aanval wordt voortgezet.
Naarmate de hars afbreekt, ontwikkelen zich verschillende faalwijzen. De hars-grafietbinding verzwakt en er kunnen grafietdeeltjes in de processtroom vrijkomen. Het verlies van hars van het oppervlak zorgt voor oppervlakteporositeit, waardoor het werkelijke oppervlak groter wordt en verdere aanval wordt versneld. Uiteindelijk ontstaat er onderling verbonden porositeit door de buiswand en lekt de procesvloeistof door de warmtewisselaarwand.
| Afbraakparameter | Ondoordringbaar grafiet (fenolhars) | Ondoordringbaar grafiet (furaanhars) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Bindmiddel/materiaalstructuur | Fenolhars in grafietmatrix | Furaanhars in grafietmatrix | Homogeen fluorpolymeer |
| Bestand tegen oxidatie van bindmiddelen | Slecht (aangevallen door Fe³⁺) | Matig (beter dan fenolisch) | N.v.t. (geen map) |
| Harsafbraaksnelheid bij 80 graden in Fe₂(SO₄)₃ | 0,1-0,3 mm/jaar (oppervlakterecessie) | 0,05-0,15 mm/jaar | 0 |
| Afgifte van grafietdeeltjes | Ja (terwijl hars afbreekt) | Ja (verlaagd tarief) | Geen |
| Oppervlakteconditie na 2 jaar | Poreus, opgeruwd | Matig opgeruwd | Glad, onveranderd |
| Doorlaatbaarheid na 3-5 jaar | Kan zich ontwikkelen door-muurlekken | Kan zich ontwikkelen door-muurlekken | Nooit (nul permeabiliteit) |
| Levensduur in Fe₂(SO₄)₃ bij 80 graden (jaren) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
De erosie-samengestelde feedback over degradatie
De afbraak van de hars zorgt voor porositeit van het oppervlak. Het poreuze oppervlak is mechanisch zwakker dan het oorspronkelijke met hars-geïmpregneerde oppervlak. In een stromende ijzersulfaatoplossing erodeert het poreuze oppervlak sneller dan een glad, ondoordringbaar oppervlak. Erosie verwijdert afgebroken hars en gedeeltelijk losgemaakte grafietdeeltjes, waardoor vers materiaal wordt blootgesteld aan chemische aantasting.
Deze feedbackloop-chemische aanval die porositeit creëert, porositeit die erosie versnelt, en erosie die nieuw oppervlak blootlegt-betekent dat de afbraaksnelheid van ondoordringbaar grafiet sneller is dan de chemische oxidatiesnelheid alleen zou voorspellen. De gecombineerde chemo-mechanische degradatie bepaalt de werkelijke levensduur.
PTFE heeft dergelijke feedback niet. Het homogene polymeeroppervlak erodeert langzaam en gelijkmatig onder stroming, zonder chemische bijdrage aan het materiaalverlies. De erosiesnelheid wordt uitsluitend bepaald door de vloeistofsnelheid en de schurende werking van eventuele zwevende vaste stoffen-factoren die beide materialen aantasten, maar alleen in het grafiet worden verergerd door chemische aantasting.
Samenvatting
PTFE-warmtewisselaars presteren beter dan ondoordringbaar grafiet in hete ijzersulfaatoplossingen, omdat PTFE een homogeen materiaal is zonder harsbindmiddel dat kan oxideren. Ondoordringbaar grafiet is afhankelijk van een fenol- of furaanharsimpregneermiddel dat geleidelijk wordt aangetast door het oxiderende ijzerion, waardoor oppervlakteporositeit ontstaat die erosie versnelt en uiteindelijk leidt tot lekkage door de muur. PTFE biedt een glad, chemisch inert oppervlak dat alleen wordt afgebroken door langzame mechanische erosie, waardoor een levensduur van 15+ jaar wordt geboden, tegenover 3-8 jaar voor ondoordringbaar grafiet.
Technische ondersteuning voor de specificatie van PTFE-warmtewisselaars in toepassingen met ijzersulfaat en andere oxiderende oplossingen is beschikbaar na indiening van gegevens over de samenstelling van de oplossing, de temperatuur, de stroomsnelheid en de levensduur van de huidige apparatuur.
