Prostředí síranu železitého
Roztoky síranu železitého se používají při moření oceli, výrobě pigmentu oxidu titaničitého a jako leptadla při povrchové úpravě kovů. Roztok obsahuje trojmocné železo v koncentracích 50-200 g/l jako Fe2(SO4)3, s volnou kyselinou sírovou 20-100 g/l, pracuje při 60-90 stupních. Kombinace silné oxidační síly železitého iontu a kyselosti kyseliny sírové vytváří agresivní prostředí pro mnoho materiálů.
Pro výměníky tepla v této službě se široce používá nepropustný grafit-grafit impregnovaný fenolovou nebo furanovou pryskyřicí k odstranění poréznosti-. Samotný grafit odolává kyselině sírové i síranu železitému. Pryskyřičný impregnant však tuto odolnost nesdílí. Postupem času při zvýšené teplotě roztok síranu železitého oxiduje pryskyřici, což způsobuje progresivní degradaci.
PTFE nemá pryskyřici, která by se rozkládala. Celý materiál je chemicky inertní vůči síranu železitému a kyselině sírové. Srovnání mezi nepropustným grafitem a PTFE v této službě je mezi kompozitním materiálem, jehož pojivo pomalu selhává, a homogenním materiálem, který nemůže chemicky reagovat s procesní kapalinou.
Mechanismus degradace pryskyřice
Nepropustný grafit se vyrábí impregnací porézního grafitu termosetovou pryskyřicí -typicky fenolovou nebo furanovou-za vakua a tlaku. Pryskyřice vyplňuje propojené póry a činí materiál nepropustným pro procesní tekutiny. Grafit zajišťuje tepelnou vodivost a chemickou odolnost. Pryskyřice zajišťuje nepropustnost.
Síran železitý napadá pryskyřici oxidací. Iont železa (Fe3⁺) je silné oxidační činidlo. Abstrahuje vodík z polymeru pryskyřice a vytváří volné radikály, které reagují s rozpuštěným kyslíkem za vzniku karbonylových a karboxylových skupin. Oxidovaná pryskyřice zkřehne. Vznikají mikro-trhliny. Trhliny vystavují čerstvý povrch pryskyřice roztoku a udržují tak útok.
Jak pryskyřice degraduje, vyvine se několik poruchových režimů. Pryskyřičná-grafitová vazba slábne a částice grafitu se mohou uvolňovat do procesního proudu. Ztráta pryskyřice z povrchu vytváří povrchovou poréznost, zvětšuje skutečnou povrchovou plochu a urychluje další napadení. Nakonec se přes stěnu trubky vytvoří propojená pórovitost a procesní tekutina uniká stěnou výměníku tepla.
| Parametr degradace | Nepropustný grafit (fenolová pryskyřice) | Nepropustný grafit (furanová pryskyřice) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Struktura pojiva/materiálu | Fenolová pryskyřice v grafitové matrici | Furanová pryskyřice v grafitové matrici | Homogenní fluoropolymer |
| Odolnost pojiva proti oxidaci | Chudý (napaden Fe³⁺) | Mírné (lepší než fenolické) | N/A (bez pojiva) |
| Rychlost degradace pryskyřice při 80 stupních ve Fe2(SO4)3 | 0,1–0,3 mm/rok (povrchová recese) | 0,05-0,15 mm/rok | 0 |
| Uvolňování grafitových částic | Ano (jak se pryskyřice degraduje) | Ano (snížená sazba) | Žádný |
| Stav povrchu po 2 letech | Porézní, zdrsněný | Středně zdrsněné | Hladké, nezměněné |
| Propustnost po 3-5 letech | Může se vyvinout přes-netěsnosti stěn | Může se vyvinout přes-netěsnosti stěn | Nikdy (nulová propustnost) |
| Životnost v Fe₂(SO₄)₃ při 80 stupních (roky) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
Zpětná vazba-kompozitní degradace
Degradace pryskyřice vytváří povrchovou poréznost. Porézní povrch je mechanicky slabší než původní povrch -impregnovaný pryskyřicí. V tekoucím roztoku síranu železitého porézní povrch eroduje rychleji než hladký, nepropustný povrch. Eroze odstraňuje degradovanou pryskyřici a částečně uvolněné částice grafitu a vystavuje čerstvý materiál chemickému napadení.
Tato zpětná vazba-chemický útok vytvářející poréznost, poréznost urychlující erozi a erozi odhalující čerstvý povrch-znamená, že rychlost degradace nepropustného grafitu je rychlejší, než by předpovídala samotná rychlost chemické oxidace. Kombinovaná chemo-mechanická degradace určuje skutečnou životnost.
PTFE takovou zpětnou vazbu nemá. Homogenní povrch polymeru pod proudem pomalu a rovnoměrně eroduje, bez chemického přispění ke ztrátě materiálu. Rychlost eroze je určena výhradně rychlostí kapaliny a abrazivitou všech suspendovaných pevných částic-faktorů, které ovlivňují oba materiály, ale jsou spojeny chemickým napadením pouze v grafitu.
Shrnutí
Tepelné výměníky PTFE překonávají nepropustný grafit v horkých roztocích síranu železitého, protože PTFE je homogenní materiál bez pryskyřicového pojiva, které by bylo třeba oxidovat. Nepropustný grafit se opírá o impregnaci z fenolové nebo furanové pryskyřice, která je postupně napadána oxidujícím železitým iontem a vytváří povrchovou poréznost, která urychluje erozi a nakonec vede k průsaku-stěnou. PTFE poskytuje hladký, chemicky inertní povrch, který degraduje pouze pomalou mechanickou erozí a poskytuje 15+letou životnost oproti 3-8 letům u nepropustného grafitu.
Technická podpora pro specifikaci výměníku tepla PTFE v aplikacích síranu železitého a jiných oxidačních roztoků je k dispozici po předložení údajů o složení roztoku, teplotě, rychlosti proudění a aktuální životnosti zařízení.
