El medi càustic concentrat
L'hidròxid de sodi per sobre del 50% de concentració a temperatura elevada és un dels productes químics industrials més agressius. Dissol el vidre, ataca la majoria dels metalls mitjançant esquerdes per corrosió per tensió càustica o dissolució uniforme i degrada molts polímers mitjançant hidròlisi alcalina. La combinació d'un pH elevat (14+), una temperatura elevada i el potent ió hidròxid nucleòfil fa que la selecció de material sigui extremadament limitada.
La ceràmica d'alúmina (òxid d'alumini, Al₂O₃) és un dels pocs materials amb resistència útil a càustics concentrats en calent. El seu enllaç covalent iònic-i la seva microestructura densa proporcionen estabilitat química en entorns alcalins on els metalls i els vidres fallen. Els intercanviadors de calor d'alúmina serveixen en aplicacions especialitzades de processament càustic.
El PTFE és universalment resistent a l'hidròxid de sodi a totes les concentracions i temperatures de fins a 260 graus. La comparació amb l'alúmina es troba entre una ceràmica que resisteix la càustica mitjançant l'estabilitat termodinàmica de l'òxid i un polímer que és inherentment immune a l'atac alcalí.
Mecanisme de dissolució de l'alúmina
L'alúmina no és completament inert a l'hidròxid de sodi. A altes concentracions i temperatures elevades, es produeix una reacció química lenta:
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2NaAl(OH)₄
El producte d'aluminat de sodi és soluble i es dissol a la solució càustica. La superfície d'alúmina es va gravant progressivament. La velocitat de dissolució depèn fortament de la temperatura i de la concentració càustica.
A un 50% de NaOH i 100 graus, la velocitat de dissolució de l'alúmina d'alta -puresa (99,7%) és d'aproximadament 0,02-0,05 mm/any. Aquesta taxa és prou baixa per al servei industrial, però no és zero. Durant una vida útil de 10 anys, es perden 0,2-0,5 mm de superfície. Els tubs d'intercanviador de calor d'alúmina han d'incloure un marge de corrosió en el gruix de la paret.
La dissolució rarament és perfectament uniforme. Les ceràmiques d'alúmina són policristalines i els límits de gra es gravan una mica més ràpid que els interiors de gra. Amb el temps, la rugositat de la superfície augmenta. La superfície rugosa proporciona llocs de nucleació per a la deposició de sal càustica, que pot provocar un atac localitzat sota-dipòsit.
Taula 1: Comparació de la resistència càustica concentrada (50% NaOH)
| Paràmetre de resistència | Ceràmica d'alúmina (99,7% Al₂O₃) | PTFE |
|---|---|---|
| Mecanisme de corrosió | Dissolució química (Al₂O₃ → NaAl(OH)₄) | Cap |
| Velocitat de dissolució a 100 graus (mm/any) | 0.02-0.05 | 0 |
| Velocitat de dissolució a 150 graus (mm/any) | 0.10-0.30 | 0 |
| Límit de temperatura en 50% NaOH (grau) | ~150 (dissolució accelerada anterior) | 260 |
| Rugositat superficial amb el temps | Sí (gravat del límit del gra) | No |
| Susceptibilitat al xoc tèrmic | Moderada (fragilitat de la ceràmica) | Cap |
| Conductivitat tèrmica (W/m·K) | 25-35 | 0.25 |
| Mode de fallada mecànica | Fractura fràgil | Crep dúctil |
| Complexitat de fabricació | Alt (processament ceràmic especialitzat) | Moderat |
La vulnerabilitat al xoc tèrmic
La ceràmica d'alúmina, com totes les ceràmiques, és trencadissa. La seva resistència al xoc tèrmic està limitada per la combinació d'un coeficient d'expansió tèrmica moderat (8 × 10⁻⁶ / grau) i un mòdul elàstic elevat (350 GPa). Els canvis ràpids de temperatura creen tensions tèrmiques que poden fracturar la ceràmica.
En el processament càustic, es produeixen excursions de temperatura durant l'inici, l'apagada i les alteracions del procés. El càustic fred introduït en un intercanviador d'alúmina calenta, o el càustic calent en un intercanviador fred, crea gradients tèrmics que poden trencar tubs. La probabilitat de fractura depèn de la magnitud i la velocitat del canvi de temperatura, i de la presència de defectes superficials de fabricació o servei.
El PTFE és immune al xoc tèrmic. El seu baix mòdul elàstic li permet adaptar-se a canvis ràpids de temperatura mitjançant la deformació elàstica. No existeix cap mecanisme de fractura a les taxes de canvi de temperatura normals del procés.
La transferència de calor i l'empremta{0}}desactivada
La conductivitat tèrmica de l'alúmina de 25-35 W/m·K és aproximadament 100-140 vegades superior a la de 0,25 W/m·K del PTFE. L'intercanviador de calor d'alúmina és dramàticament més compacte per a la mateixa funció tèrmica. En instal·lacions amb espai limitat, aquest és un avantatge important.
El PTFE requereix 3-4 vegades la superfície, el que resulta en una petjada física més gran. L'elecció entre alúmina i PTFE sovint depèn de si l'espai d'instal·lació pot acomodar l'intercanviador de PTFE més gran. Quan hi ha espai disponible, la immunitat absoluta del PTFE a la dissolució càustica i a la fractura per xoc tèrmic proporciona la solució de menor risc.
Resum
Els intercanviadors de calor de PTFE són immunes a l'hidròxid de sodi a totes les concentracions i temperatures de fins a 260 graus. La ceràmica d'alúmina resisteix bé la càustica, però experimenta una dissolució lenta que consumeix el gruix de la paret i endureix les superfícies amb el temps. L'alúmina també és vulnerable a la fractura per xoc tèrmic per excursions de temperatura, un risc que el PTFE elimina completament.
L'avantatge de conductivitat tèrmica de l'alúmina proporciona un intercanviador més compacte, que pot ser decisiu en instal·lacions amb espai-restringit. Quan l'espai ho permet, la immunitat química absoluta del PTFE i l'absència del risc de fractura fràgil el converteixen en l'opció de menor risc-per al servei càustic concentrat.
L'anàlisi d'enginyeria per a la selecció de materials de servei càustic està disponible quan s'envien la concentració de NaOH, el rang de temperatura de funcionament, les característiques del cicle de temperatura, el servei de calor i l'espai d'instal·lació disponible.
