L'estàndard històric
El plom s'ha utilitzat per a la manipulació d'àcid sulfúric des del segle XVIII. Els aliatges de plom-antimoni (normalment un 4-8% d'antimoni) van millorar les propietats mecàniques del plom pur, fent-lo adequat per a intercanviadors de calor, canonades i revestiments de tancs. Durant més d'un segle, el plom-antimoni va ser el material estàndard per escalfar els banys de decapat d'àcid sulfúric. Moltes d'aquestes instal·lacions continuen en servei avui dia.
El plom resisteix l'àcid sulfúric mitjançant la formació d'una pel·lícula de sulfat de plom (PbSO₄) que és insoluble en l'àcid. Aquesta pel·lícula és estable i protectora en l'interval de concentració i temperatura de la majoria de les operacions de decapat-fins a aproximadament 80 graus en àcid sulfúric al 10-20%.
No obstant això, s'estan substituint els intercanviadors de calor de plom-antimoni. Els reemplaçaments són cada cop més PTFE. La força motriu no és una fallada del mecanisme de protecció contra la corrosió del plom-encara funciona. Són els desavantatges operatius acumulats d'un metall tou, pesat i tòxic en comparació amb un polímer inert modern.
Els desavantatges acumulats del plom-antimoni
Les limitacions de l'aliatge de plom-antimoni abasten dominis mecànics, operatius i ambientals. Cap és catastròfic individualment. Junts, generen un cost total de propietat que supera el PTFE malgrat el menor cost del material del plom.
Erosió-corrosió: la pel·lícula de PbSO₄ que protegeix el plom de l'àcid sulfúric és tova. Quan l'àcid flueix-especialment a les descàrregues de la bomba de circulació, els broquets d'eductor o les zones d'alta turbulència-, la pel·lícula s'erosiona. El plom exposat reforma la pel·lícula, consumint metall. Als llocs d'erosió, la paret de plom s'aprima progressivament. Un tub d'intercanviador de calor amb plom-antimoni pot durar entre 5 i 8 anys en condicions estàtiques, però només entre 2 i 4 anys amb un flux moderat.
Fatiga tèrmica: el plom té un coeficient d'expansió tèrmica de 29 × 10⁻⁶/grau -un dels més alts de qualsevol metall. L'antimoni de plom-lo redueix només lleugerament. Durant els cicles de calefacció i refrigeració, el plom s'expandeix i es contrau de manera espectacular. El moviment repetit provoca deformacions per fluïdesa als punts de suport i connexions. Les articulacions es deixen anar. Els tubs s'enfonsen entre els suports. La deformació acumulada acaba causant una fallada en una fracció de la vida útil limitada per corrosió{10}.
Toxicitat: el plom és un metall tòxic regulat. El seu ús requereix control de l'exposició, vigilància mèdica i procediments especials de manipulació. L'eliminació dels intercanviadors de calor de plom gastats és un residu perillós. Els costos administratius i d'eliminació se sumen al cost total de propietat.
| Paràmetre de rendiment | Plom-Aliatge d'antimoni | PTFE |
|---|---|---|
| Mecanisme de protecció contra la corrosió | Pel·lícula passiva de PbSO₄ | Estabilitat d'enllaç C-F inherent |
| Resistència a l'erosió | Pobre (pel·lícula suau i substrat) | Bé (homogeni, sense pel·lícula) |
| Resistència a la fatiga tèrmica | Pobre (alta expansió, fluència) | Excel·lent (allotjament viscoelàstic) |
| Pes per a un servei de 50 kW (kg) | 180-250 | 12-15 |
| Toxicitat | Alt (metall regulat) | Cap (polímer inert) |
| Vida útil amb flux moderat (anys) | 2-4 | 15+ |
| Vida útil en condicions estàtiques (anys) | 5-8 | 15+ |
| Eliminació | Residus perillosos | No-perillós |
| Cost del material (relat per kg) | 1.0× | 2-3× |
| Cost instal·lat (relatiu) | 0.8× | 1.0× |
La comparació de pes i seguretat de la instal·lació
Un intercanviador de calor de plom-antimoni per a un dipòsit de decapat de 50 kW pesa 180-250 kg. Aquest pes requereix suport estructural, equips d'elevació mecànic per a la instal·lació i retirada, i presenta un perill per a la manipulació del personal. Un intercanviador de PTFE per a la mateixa funció pesa 12-15 kg menys d'una desena part. Dos treballadors poden portar-lo i instal·lar-lo sense assistència mecànica.
La diferència de pes també afecta la càrrega estructural del tanc. Una bobina de plom pesada que es recolza al terra del tanc pot requerir un reforç del sòl, especialment en tancs de plàstic o revestits. La reixeta lleugera de PTFE imposa una càrrega estructural insignificant.
Durant el manteniment, una bobina de plom que ha estat en servei d'àcid sulfúric porta una capa superficial de PbSO₄ i àcid adsorbit. La seva manipulació requereix equips de protecció individual i procediments de descontaminació. Una bobina de PTFE està neta químicament-un esbandida amb aigua elimina l'àcid superficial i el polímer inert no requereix cap manipulació especial.
La decisió de transició
Les instal·lacions que encara funcionen amb intercanviadors de calor d'antimoni de plom-s'enfronten a una decisió en cada substitució: substituir per una altra unitat d'antimoni de plom-i acceptar el mateix cicle de substitució de 2-4 anys, o bé convertir-los a PTFE i eliminar el cicle de substitució durant 15+ anys. La conversió de PTFE implica un cost únic de l'equip més elevat, però elimina els costos recurrents de substitució freqüent, gestió de la toxicitat i manipulació de materials pesats.
La transició sovint es fa en fases-un tanc a la vegada, ja que les unitats de plom fallen. Després que la primera conversió de PTFE demostri la vida útil ampliada i el manteniment simplificat, les conversions posteriors segueixen ràpidament.
Resum
Els intercanviadors de calor de PTFE perduren més que l'aliatge de plom-antimoni en servei d'àcid sulfúric calent no perquè el mecanisme de corrosió del plom falli, sinó perquè el PTFE elimina l'erosió-corrosió, la fatiga tèrmica i els desavantatges de toxicitat que s'acumulen durant la vida útil del plom. La vida útil de 15+ anys del PTFE enfront dels 2-4 anys del plom en condicions de flux genera un avantatge total en el cost de propietat malgrat el cost inicial més elevat del material del PTFE. La reducció de pes de més del 90% i l'eliminació de la manipulació de materials tòxics afegeixen beneficis operatius i de seguretat.
El suport d'enginyeria per a la substitució de l'intercanviador de calor de plom-a-PTFE està disponible si s'envien les dimensions del dipòsit, la concentració d'àcids i la temperatura, les condicions de flux i els registres actuals de vida útil i manteniment de l'equip de plom.
