محیط سوزاننده متمرکز
هیدروکسید سدیم با غلظت بالای 50 درصد در دمای بالا یکی از تهاجمی ترین مواد شیمیایی صنعتی است. شیشه را حل می کند، به اکثر فلزات از طریق ترک خوردگی ناشی از تنش سوزاننده یا انحلال یکنواخت حمله می کند و بسیاری از پلیمرها را از طریق هیدرولیز قلیایی تجزیه می کند. ترکیب pH بالا (14+)، درجه حرارت بالا و یون هیدروکسید هسته دوست قدرتمند، انتخاب مواد را بسیار محدود می کند.
سرامیک آلومینا (اکسید آلومینیوم، Al2O3) یکی از معدود مواد با مقاومت مفید در برابر سوزاننده غلیظ داغ است. پیوند کووالانسی یونی- و ریزساختار متراکم آن پایداری شیمیایی را در محیط های قلیایی که در آن فلزات و شیشه ها از کار می افتند، فراهم می کند. مبدل های حرارتی آلومینا در کاربردهای تخصصی پردازش سوزاننده خدمت می کنند.
PTFE به طور جهانی در برابر هیدروکسید سدیم در تمام غلظت ها و دماهای تا 260 درجه مقاوم است. مقایسه با آلومینا بین سرامیکی است که از طریق پایداری ترمودینامیکی اکسید در برابر سوزاندن مقاومت می کند و پلیمری که ذاتاً در برابر حمله قلیایی مصون است.
مکانیسم انحلال آلومینا
آلومینا نسبت به هیدروکسید سدیم کاملا بی اثر نیست. در غلظت های بالا و دماهای بالا، یک واکنش شیمیایی آهسته رخ می دهد:
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2NaAl(OH)4
محصول سدیم آلومینات محلول است و در محلول کاستیک حل می شود. سطح آلومینا به تدریج از بین می رود. سرعت انحلال به شدت به دما و غلظت سوزان بستگی دارد.
در 50٪ NaOH و 100 درجه، سرعت انحلال آلومینا با خلوص بالا (99.7٪) تقریباً 0.02-0.05 میلی متر در سال است. این نرخ برای خدمات صنعتی به اندازه کافی کم است اما صفر نیست. در طول عمر 10 ساله، 0.2-0.5 میلی متر از سطح از بین می رود. لوله های مبدل حرارتی آلومینا باید دارای مقدار مجاز خوردگی در ضخامت دیواره باشند.
انحلال به ندرت کاملاً یکنواخت است. سرامیک های آلومینا پلی کریستالی هستند و مرزهای دانه کمی سریعتر از داخل دانه ها حک می شوند. با گذشت زمان، زبری سطح افزایش می یابد. سطح زبر، محلهای هستهزایی را برای رسوب نمک سوزاننده فراهم میکند، که میتواند منجر به حمله موضعی تحت{3}}رسوب شود.
جدول 1: مقایسه مقاومت سوزاننده غلیظ (50٪ NaOH)
| پارامتر مقاومت | سرامیک آلومینا (99.7% Al2O3) | PTFE |
|---|---|---|
| مکانیزم خوردگی | انحلال شیمیایی (Al2O3 → NaAl(OH)4) | هیچ کدام |
| سرعت انحلال در 100 درجه (میلی متر در سال) | 0.02-0.05 | 0 |
| سرعت انحلال در 150 درجه (میلی متر در سال) | 0.10-0.30 | 0 |
| محدودیت دما در 50% NaOH (درجه) | ~ 150 (انحلال تسریع شده در بالا) | 260 |
| زبری سطح با گذشت زمان | بله (حکاکی مرز دانه) | خیر |
| حساسیت به شوک حرارتی | متوسط (شکنندگی سرامیک) | هیچ کدام |
| هدایت حرارتی (W/m·K) | 25-35 | 0.25 |
| حالت خرابی مکانیکی | شکستگی شکننده | خزش انعطاف پذیر |
| پیچیدگی ساخت | بالا (فرآوری تخصصی سرامیک) | متوسط |
آسیب پذیری شوک حرارتی
سرامیک آلومینا مانند همه سرامیک ها شکننده است. مقاومت شوک حرارتی آن با ترکیب ضریب انبساط حرارتی متوسط (8 × 10-6 / درجه) و مدول الاستیک بالا (350 GPa) محدود می شود. تغییرات سریع دما باعث ایجاد تنش های حرارتی می شود که می تواند سرامیک را بشکند.
در پردازش سوزاننده، تغییرات دما در هنگام راهاندازی، خاموش شدن و اختلالات فرآیند رخ میدهد. کاستیک سرد وارد شده به مبدل آلومینا داغ، یا سوزاننده داغ به مبدل سرد، گرادیان های حرارتی ایجاد می کند که می تواند لوله ها را بشکند. احتمال شکستگی به بزرگی و سرعت تغییر دما و وجود عیوب سطحی از ساخت یا سرویس بستگی دارد.
PTFE در برابر شوک حرارتی مصون است. مدول الاستیک پایین آن به آن اجازه می دهد تا تغییرات سریع دما را از طریق تغییر شکل الاستیک سازگار کند. هیچ مکانیزم شکستی در نرخ های تغییر دمای فرآیند عادی وجود ندارد.
انتقال حرارت و تجارت ردپای-خاموش است
رسانایی حرارتی آلومینا 25-35 W/m·K تقریباً 100-140 برابر بیشتر از 0.25 W/m·K PTFE است. مبدل حرارتی آلومینا برای همان کار حرارتی به طور چشمگیری فشرده تر است. در تاسیسات با محدودیت فضا، این یک مزیت قابل توجه است.
PTFE به 3{3}}4 برابر مساحت سطح نیاز دارد که در نتیجه ردپای فیزیکی بزرگتری ایجاد میشود. انتخاب بین آلومینا و PTFE اغلب به این بستگی دارد که آیا فضای نصب می تواند مبدل PTFE بزرگتر را در خود جای دهد یا خیر. در جایی که فضا در دسترس است، مصونیت مطلق PTFE در برابر انحلال سوزاننده و شکستگی شوک حرارتی راه حل کم خطری را فراهم می کند.
خلاصه
مبدل های حرارتی PTFE در برابر هیدروکسید سدیم در تمام غلظت ها و دماهای تا 260 درجه ایمن هستند. سرامیک آلومینا به خوبی در برابر سوزاندن مقاومت می کند، اما تحت انحلال آهسته ای قرار می گیرد که ضخامت دیواره را مصرف می کند و به مرور زمان سطوح را زبر می کند. آلومینا همچنین در برابر شکست شوک حرارتی ناشی از گشت و گذارهای دما آسیب پذیر است، خطری که PTFE به طور کامل از بین می برد.
مزیت هدایت حرارتی آلومینا مبدل فشرده تری را فراهم می کند که ممکن است در تأسیسات محدود{0}فضا تعیین کننده باشد. در جایی که فضا اجازه می دهد، مصونیت شیمیایی مطلق PTFE و عاری از خطر شکستگی شکننده، آن را به گزینه کم خطر-برای خدمات سوزاننده متمرکز تبدیل می کند.
تجزیه و تحلیل مهندسی برای انتخاب مواد خدمات سوزاننده پس از ارائه غلظت NaOH، محدوده دمای عملیاتی، ویژگیهای چرخه دما، وظیفه حرارتی و فضای نصب موجود در دسترس است.
