چالش اسید هیدروکلریک
اسید کلریدریک در غلظت های بالای 5 درصد و دمای بالای 60 درجه یکی از تهاجمی ترین محیط های صنعتی برای مواد فلزی است. یون کلرید، کوچک و بسیار متحرک، به لایه های غیرفعال نفوذ می کند، حفره را آغاز می کند و خوردگی شکاف اتوکاتالیستی را حفظ می کند. فولادهای ضد زنگ استاندارد و تیتانیوم به سرعت مورد حمله قرار می گیرند.
آلیاژ تیتانیوم{0}}پالادیوم (درجه 7 یا درجه 11) به طور خاص برای گسترش مقاومت خوردگی تیتانیوم در محیط های اسیدی کاهش دهنده ایجاد شده است. افزودن پالادیوم کوچک-0.12-0.25٪ آلیاژ را به صورت کاتدی اصلاح میکند و پتانسیل خوردگی آن را به محدوده غیرفعال تغییر میدهد. این آلیاژ می تواند غلظت HCl و دمای غیرممکن برای تیتانیوم خالص تجاری را تحمل کند.
PTFE برای مقاومت در برابر HCl به هیچ آلیاژی نیاز ندارد. پیوندهای کربن-فلورین آن در برابر حمله کلرید در هر غلظت و هر دمایی تا 260 درجه غیرقابل نفوذ است. انتخاب بین Ti-آلیاژ Pd و PTFE برای سرویس HCl مربوط به احتمال خوردگی نیست-که هر دو میتوانند زنده بمانند. این در مورد قابلیت اطمینان خوردگی، هزینه، و عواقب ناشی از تفاوت های حالت شکست اجتناب ناپذیر است.
محدودیت فیلم غیرفعال Ti-Pd
آلیاژ تیتانیوم{0}}پالادیوم در برابر HCl از طریق یک لایه TiO2 غیرفعال تثبیت شده مقاومت می کند. پالادیوم که به صورت فاز دوم پراکنده ریز وجود دارد، مکانهای کاتدی را فراهم میکند که پتانسیل مدار باز-آلیاژ را به حوزه غیرفعال منتقل میکند. مکانیسم الکتروشیمیایی است نه ترمودینامیکی. فیلم غیرفعال باید به طور مداوم حفظ شود.
در HCl داغ، لایه غیرفعال در تعادل دینامیکی با اسید است. به آرامی حل می شود و به طور مداوم اصلاح می شود. آلیاژ با سرعت بسیار کم اما قابل اندازه گیری معمولاً 0.01-0.05 میلی متر در سال در 10٪ HCl در 80 درجه خورده می شود. در طول عمر کاری 10 ساله، این خوردگی یکنواخت 0.1-0.5 میلی متر ضخامت دیوار مصرف می کند.
نرخ خوردگی یکنواخت با کمک هزینه خوردگی قابل کنترل است. خطر بزرگتر شکست موضعی است. اگر یک ذره آهن از یک ابزار فولادی در سطح جاسازی شود، یک سلول گالوانیکی فعال را تشکیل می دهد. اگر شکافی در زیر یک واشر یا رسوب ایجاد شود، شیمی مسدود شده تهاجمی تر می شود. اگر توزیع پالادیوم غیریکنواخت باشد-یکنواخت-یک نقص تولید-مناطق محلی محافظت نشده به سرعت خورده میشوند. این مکانیسم های شکست موضعی احتمالی هستند، نه قطعی. دو مبدل Ti{9}}یکسان در سرویس یکسان می توانند عمر سرویس متفاوتی داشته باشند.
جدول 1: PTFE در مقابل تیتانیوم-پالادیوم در سرویس HCl داغ (HCl 10٪، 80 درجه)
| پارامتر مقایسه | تیتانیوم-پالادیوم (درجه 7) | PTFE |
|---|---|---|
| مکانیزم خوردگی | تثبیت فیلم غیرفعال توسط Pd | پایداری ذاتی پیوند کربن-فلورین |
| نرخ خوردگی یکنواخت (میلی متر در سال) | 0.01-0.05 | 0 |
| خطر خوردگی موضعی | خوردگی شکاف ممکن است. حساسیت به آلودگی آهن | هیچ کدام |
| حداکثر دمای سرویس بر حسب HCl | ~ 100 درجه (وابسته به غلظت) | 260 درجه |
| حد غلظت HCl | 15-20٪ در 80 درجه | هر غلظت |
| هدایت حرارتی (W/m·K) | 21 | 0.25 |
| سطح نسبی مورد نیاز | 1.0× | 3-4× (جای پای بزرگتر) |
| هزینه مواد (نسبی) | 15-25× | 1× |
| پیچیدگی ساخت | بالا (جوشکاری تخصصی؛ تأیید همگنی Pd) | متوسط |
| قابلیت پیش بینی شکست | احتمالی (تجزیه موضعی) | قطعی (عمر خزش قابل محاسبه) |
| قابلیت پیش بینی عمر سرویس | 5-10 سال با عدم قطعیت | 15+ سال با محاسبه مبتنی بر طراحی- |
کنتراست حالت شکست
هنگامی که یک مبدل حرارتی Ti{0}}Pd در سرویس هیدروکلراید از کار میافتد، خرابی معمولاً یک نشتی سوراخ از سوراخهای موضعی یا خوردگی شکاف است. نشتی ممکن است ناگهانی-گودالی باشد که از دیوار-بدون نازک شدن کلی قابل توجهی میگذرد. مایع فرآیند وارد سیستم بخار{5}}میعانات می شود. تولید متوقف می شود. مبدل باید تعویض شود.
هنگامی که یک مبدل حرارتی PTFE به پایان عمر خود می رسد-معمولاً پس از 10-15 سال یا بیشتر، حالت خرابی تدریجی است: نازک شدن دیوار از خزش، که با اندازه گیری اولتراسونیک در طول بازرسی برنامه ریزی شده تشخیص داده می شود. لوله قبل از نشتی تعویض می شود. هیچ خرابی برنامه ریزی نشده ای رخ نمی دهد.
تفاوت قابل پیش بینی ارزش اقتصادی دارد. جایگزینی برنامه ریزی شده در طول تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده کسری از جایگزینی اضطراری در طول تولید را هزینه می کند. برای فرآیندهایی که در آن خرابی برنامه ریزی نشده 5000 تا 10000 دلار در ساعت هزینه دارد، قابل پیش بینی بودن خرابی PTFE یک مزیت مالی قابل توجه است.
مقایسه هزینه در طول عمر خدمات
مبدل حرارتی آلیاژ Ti{0}}Pd دارای هزینه مواد 15-25 برابر بیشتر از PTFE در هر کیلوگرم است، اما به دلیل رسانایی حرارتی بالاتر، به مساحت سطح کمتری نیاز دارد. هزینه تجهیزات اولیه برای Ti-Pd معمولاً 4-8 برابر بیشتر از PTFE برای همان وظیفه گرمایی است.
مبدل Ti-Pd در طول عمر کاری 15{1}}سال ممکن است به دلیل خوردگی موضعی نیاز به یک یا دو تعویض برنامه ریزی نشده داشته باشد که هرکدام باعث خرابی و هزینه های نصب می شوند. مبدل PTFE نیاز به تعویض ندارد، فقط به بازرسی های برنامه ریزی شده نیاز دارد.
کل هزینه چرخه عمر، از جمله تجهیزات اولیه، نصب، تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده، و احتمال{0}}هزینه وزنی خرابی های برنامه ریزی نشده، در اکثر برنامه های HCl در بسته عملیاتی PTFE، ضریب 2-3 PTFE را افزایش می دهد.
خلاصه
مبدلهای حرارتی PTFE نسبت به آلیاژ تیتانیوم{0}}پالادیوم در سرویس HCl داغ قابلیت اطمینان بالایی دارند زیرا مقاومت در برابر خوردگی PTFE ترمودینامیکی و مطلق است، در حالی که Ti-Pd متکی به غیرفعال شدن الکتروشیمیایی است که میتواند به صورت محلی تجزیه شود. مزیت هزینه اولیه رسانایی حرارتی بالاتر Ti{3}Pd با هزینه مواد کمتر، عمر طولانی تر PTFE و حالت خرابی قابل پیش بینی که زمان خرابی برنامه ریزی نشده را حذف می کند، جبران می شود.
برای غلظت HCl و دما در محدوده 260 درجه PTFE، PTFE راه حل برتر اقتصادی و عملیاتی را ارائه می دهد. Ti{2}}Pd برای کاربردهایی که بیش از حد دمای PTFE هستند یا به خواص مکانیکی فلز نیاز دارند، ذخیره میشود.
تجزیه و تحلیل مهندسی برای انتخاب مواد سرویس هیدروکلراید پس از ارائه داده های غلظت اسید، دما، فشار، وظیفه حرارتی و عمر مفید تجهیزات فعلی موجود است.
