بافلهای داخل یک پوسته PTFE-و-مبدل لوله چارچوب ساختاری هستند که از لولههای انعطافپذیر پشتیبانی میکنند و پوسته-جریان جانبی را هدایت میکنند. آنها مستقیماً در مایع خورنده می نشینند. در یک سرویس اسیدی داغ و مخلوط، یک صفحه بافل ساده و ارزان قیمت از جنس استنلس استیل خورده، گود میشود و در نهایت فرو میریزد و باعث میشود که بستهبندی لوله به یک آشفتگی درهم و درهم نشت کند. انتخاب ماده مناسب و سازگار با مواد شیمیایی برای بافل ها تصمیمی است که بر یکپارچگی مکانیکی دراز مدت کل مبدل نظارت می کند.
این مقاله یک رویکرد سیستماتیک برای انتخاب مناسب ارائه می دهدمواد بافل مبدل PTFE اسید درجه حرارت بالانیاز به خدمات، مقایسه بافل های جامد فلوئوروپلیمری با جایگزین های فلزی اندود شده.
گزینه های مواد برای بافل در محیط های اسیدی تهاجمی
بافل های جامد PTFE یا PFA: مقاومت شیمیایی جهانی
استاندارد و مقرون به صرفه ترین راه حل برای یک سرویس کاملاً خورنده، ساختن بافل ها از صفحه جامد PTFE یا PFA است. این صفحات از ورق ضخیم ماشینکاری می شوند و مقاومت شیمیایی جهانی را در کل محدوده pH، حتی در دماهای بالا (معمولا تا 200 درجه برای PTFE و کمی بالاتر برای PFA) ارائه می دهند. بافل های فلوروپلیمر جامد تقریباً در برابر تمام اسیدها از جمله مخلوط های هیدروکلریک، سولفوریک، نیتریک و هیدروفلوریک اسید بی اثر هستند.
بافل ها دنده های پلاستیکی یا فلزی هستند که اسکلت بسته را در کنار هم نگه می دارند و مواد آنها باید مانند پوست لوله ها غیر قابل نفوذ باشد. بافل های PTFE جامد از نقطه نظر خوردگی کاملاً این نیاز را برآورده می کنند.
محدودیت های بافل های فلوروپلیمر جامد
با این حال، بافل های جامد PTFE دارای محدودیت های مکانیکی قابل توجهی هستند:
انعطاف پذیری: PTFE یک ماده نسبتا نرم و انعطاف پذیر است، به خصوص در دماهای بالا. تحت سرعت جریان متقاطع بالا، بافلهای PTFE جامد میتوانند منحرف شوند که منجر به ارتعاش لوله، سایش فرسایش و در نهایت خرابی لوله میشود.
نیاز ضخامت: برای دستیابی به سفتی قابل مقایسه با یک بافل فلزی، یک بافل PTFE باید بطور قابل ملاحظه ای ضخیم تر باشد-معمولاً 2 تا 3 برابر ضخامت بافل فولادی. این ضخامت اضافی سطح مقطع با ارزش پوسته-را مصرف می کند، مسیر جریان موجود را کاهش می دهد و به طور بالقوه افت فشار را افزایش می دهد.
خزش و تغییر شکل: PTFE تحت بار مکانیکی پایدار خزش را نشان می دهد. با گذشت زمان، سوراخ های بافل می توانند بزرگ شوند و پشتیبانی از لوله ها را کاهش دهند.
بافل های فلزی اندود شده: ترکیبی از استحکام با ایمنی شیمیایی
برای خدمات{0}سرعت بالا، پوستههای-قطر بزرگ (مثلاً بیش از 500 میلیمتر)، یا برنامههایی با ارتعاشات ناشی از جریان قابل توجه، راهحل قویتری مورد نیاز است. یک بافل فلزی-ساخته شده از فولاد ضد زنگ، یک آلیاژ نیکل بالا (مانند Hastelloy یا Inconel) یا تیتانیوم{9}} که به طور کامل در یک پوشش ضخیم و بدون درز PTFE یا PFA محصور شده است، استحکام و استحکام فلز را با خاصیت ایمن سازی شیمیایی بیشتر فراهم می کند.
هسته فلزی بارهای مکانیکی را بدون انحراف حمل می کند، در حالی که پوشش PTFE از هرگونه تماس بین اسید تهاجمی و بستر فلزی جلوگیری می کند. این ساختار هیبریدی بهترین های هر دو جهان را ارائه می دهد.
معیارهای انتخاب: تطبیق مواد بافل با شرایط خدمات
سرعت سیال و دینامیک جریان
| سرعت سیال جانبی پوسته- | مواد بافل توصیه شده |
|---|---|
| کم (کمتر یا مساوی 0.5 متر بر ثانیه) | PTFE جامد یا PFA (طراحی ضخیم شده) |
| متوسط (0.5 - 1.5 m/s) | PFA جامد یا فلز آستردار (بسته به قطر) |
| High (> 1.5 m/s) | فلز روکش شده (هسته فولادی ضد زنگ یا آلیاژی) |
جریان های اسیدی با سرعت بالا، نیروهای کششی قابل توجهی را روی بافل ها ایجاد می کنند. بافلهای PTFE جامد ممکن است به اندازهای منحرف شوند که اجازه دهند لوله-به-سوراخ بافل ضربه بزند و باعث سایش شود. بافل های فلزی اندود شده هندسه و تراز سوراخ خود را حفظ می کنند و از چنین آسیبی جلوگیری می کنند.
قطر پوسته و دهانه بافل
برای قطر پوسته های کوچک (زیر 300 میلی متر)، دهانه بدون پشتیبانی یک بافل PTFE کوتاه است و انحرافات قابل قبول باقی می مانند. برای پوسته های بزرگتر (بالاتر از 500 میلی متر)، یک بافل جامد PTFE بیشتر شبیه یک غشای انعطاف پذیر عمل می کند تا یک تکیه گاه سفت و سخت. در چنین مواردی، یک بافل فلزی آستردار به شدت ترجیح داده می شود.
مشخصات کوکتل شیمیایی
اسیدهای اکسید کننده(به عنوان مثال، اسید نیتریک غلیظ داغ، aqua regia): PTFE و PFA هر دو بسیار مقاوم هستند. انتخاب بین جامد و آستر بستگی به نیازهای مکانیکی دارد.
کاهش دهنده اسیدها(به عنوان مثال، اسید هیدروکلریک داغ، سولفوریک رقیق): باز هم، مقاومت عالی برای هر دو ماده.
هیدروفلوریک اسید (HF): PTFE پر شده از{0}شیشه باید اجتناب شود، زیرا HF به شیشه حمله می کند. PTFE یا PFA خالص مورد نیاز است. برای حفاظهای فلزی آستردار، در صورت نقص سوراخ سوزن، مواد هسته باید در برابر HF{3}}مقاوم باشد (مانند Monel یا Hastelloy C-2000).
اسیدهای مخلوط با مواد جامد ساینده: یک بافل فلزی اندود شده با روکش PFA ضخیم تر (2-3 میلی متر) نسبت به یک بافل جامد PTFE با همان ضخامت، مقاومت در برابر فرسایش بهتری ایجاد می کند.
ملاحظات فنی برای عملکرد بلندمدت{0} قابل اعتماد
مقایسه سختی: PTFE در مقابل فلز خط دار
مدول الاستیک PTFE در دمای اتاق تقریباً 0.5 GPa است که با نزدیک شدن دما به 200 درجه کاهش می یابد. فولاد ضد زنگ دارای مدول ~200 گیگا پاسکال{11}}400 برابر سفت تر است. بنابراین، یک بافل جامد PTFE باید به طور متناسب ضخیم تر شود (اغلب 20-30 میلی متر در مقابل 5-10 میلی متر برای بافل فولادی) تا مقاومت انحرافی مشابهی حاصل شود. این ضخامت اضافی هزینه مواد را افزایش می دهد و سطح جریان موثر در سمت پوسته را کاهش می دهد.
در مقابل، یک بافل فلزی اندود شده، از یک هسته فولادی با ضخامت استاندارد (مثلاً 6 میلیمتر) با روکش نازک PTFE (معمولاً ضخامت کل اضافه شده 2 تا 3 میلیمتر) استفاده میکند. ضخامت کلی کم باقی می ماند و سطح جریان را حفظ می کند و مبدل را فشرده نگه می دارد.
لازمه حیاتی برای پیوند پوششی عالی
برای عملکرد ایمن یک بافل فلزی آستردار، آستر PTFE یا PFA باید کاملاً به زیرلایه فلزی چسبیده و کاملاً عاری از سوراخ یا ترک باشد. هر شکاف یا لایه لایه شدن اجازه می دهد تا اسید داغ تهاجمی در پشت آستر بخزد. هنگامی که اسید با هسته فلزی تماس پیدا می کند، خوردگی شکاف یا حفره شروع می شود. محصولات خوردگی (یون های فلزی) همچنین می توانند سیال فرآیند را آلوده کنند. در موارد شدید، خوردگی موضعی فلز را سوراخ میکند و باعث تاول زدن و از کار افتادن پوشش میشود.
روش های ساخت بافل خط دار عبارتند از:
آستر شل با تداخل مناسب: آستر PTFE به صورت مکانیکی روی هسته فلزی قفل می شود. این روش امکان حرکت نسبی را فراهم می کند، اما اگر به دقت در لبه ها آب بندی نشود، خطر ورود سیال را به همراه دارد.
باندینگ یا تف جوشی چسب: برای PTFE، آستر روی یک سطح فلزی حکاکی شده شیمیایی پخته می شود و یک پیوند تقریباً- عالی ایجاد می کند. این روش ترجیحی برای خدمات اسیدی با دمای بالا است.
قالب گیری تزریقی (PFA): PFA را میتوان به صورت تزریقی-در اطراف یک هسته فلزی قالبگیری کرد و یک کپسولاسیون بدون درز و خالی-رایگان ایجاد کرد.
همه حفاظهای خطدار باید پس از ساخت، جرقه-تست شوند (تشخیص تعطیلات ولتاژ بالا) برای تأیید عدم وجود سوراخها.
طراحی سوراخ بافل و پشتیبانی از لوله
سوراخ هایی که لوله های PTFE از آنها عبور می کنند باید به درستی اندازه گیری شوند تا امکان انبساط حرارتی بدون فاصله زیاد فراهم شود. برای بافل های PTFE جامد، فاصله سوراخ معمولاً 0.5-1.0 میلی متر بزرگتر از OD لوله است. برای حفره های فلزی اندود شده، از فاصله مشابهی استفاده می شود، اما هسته فلزی هندسه سوراخ ثابتی را ارائه می دهد که در طول زمان خزش یا تغییر شکل نمی دهد.
نتیجه گیری: انتخابی بین مقاومت خالص و استحکام پشتیبانی شده
انتخاب مواد بافل مناسب برای یک مبدل PTFE در سرویس اسیدی با دمای بالا یک تصمیم مکانیکی و شیمیایی حیاتی است. این انتخاب بین مقاومت جهانی و خالص یک فلوروپلیمر جامد و استحکام صلب و پشتیبانی شده یک فلز آستردار است. برای کاربردهای با سرعت کم، قطر کوچک{{4} یا برنامههای حساس به بودجه، بافلهای جامد PTFE یا PFA خدمات قابل اعتمادی را بدون خطر خرابی آستر ارائه میدهند. برای جریانهای با سرعت بالا، قطرهای پوسته بزرگ، یا هر سرویسی که ارتعاش مکانیکی نگران کننده است، یک بافل فلزی اندود شده استحکام لازم و پایداری ابعادی طولانیمدت را فراهم میکند.
ساختار پنهان و داخلی یک مبدل حرارتی باید از ماده ای ساخته شود که به اندازه پوسته بیرونی آن سخت باشد. چه جامد و چه آستردار، مواد بافل انتخابی باید در برابر شیمی تهاجمی مشابه خود لوله ها مقاومت کند. با ارزیابی دقیق سرعت سیال، قطر پوسته و کوکتل اسیدی خاص، میتوان انتخابی آگاهانه ایجاد کرد-که به جای ریزش و نشت زودرس، چندین دهه عملکرد بدون مشکل{3}}را تضمین میکند.
