L'entorn del sulfat fèrric
Les solucions de sulfat fèrric s'utilitzen en el decapat d'acer, la producció de pigments de diòxid de titani i com a gravadors en l'acabat de metalls. La solució conté ferro fèrric a concentracions de 50-200 g/L com a Fe₂(SO₄)₃, amb àcid sulfúric lliure de 20-100 g/L, que funciona a 60-90 graus. La combinació del fort poder oxidant de l'ió fèrric i l'acidesa de l'àcid sulfúric crea un ambient agressiu per a molts materials.
El grafit impermeable-El grafit impregnat amb resina fenòlica o furànica per eliminar la porositat-s'utilitza àmpliament per als intercanviadors de calor d'aquest servei. El grafit mateix resisteix tant l'àcid sulfúric com el sulfat fèrric. L'impregnant de resina, però, no comparteix aquesta resistència. Amb el temps a temperatura elevada, la solució de sulfat fèrric oxida la resina, provocant una degradació progressiva.
El PTFE no té cap impregnant de resina per degradar-se. Tot el material és químicament inert al sulfat fèrric i àcid sulfúric. La comparació entre el grafit impermeable i el PTFE en aquest servei és entre un material compost el lligant del qual falla lentament i un material homogeni que no pot reaccionar químicament amb el fluid del procés.
Mecanisme de degradació de la resina
El grafit impermeable es fabrica impregnant grafit porós amb una resina termoendurible-normalment fenòlica o furànica-al buit i pressió. La resina omple els porus interconnectats, fent que el material sigui impermeable als fluids de processament. El grafit proporciona conductivitat tèrmica i resistència química. La resina proporciona impermeabilitat.
El sulfat fèrric ataca la resina per oxidació. L'ió fèrric (Fe³⁺) és un fort oxidant. Abstrau hidrogen del polímer de resina, creant radicals lliures que reaccionen amb l'oxigen dissolt per formar grups carbonil i carboxil. La resina oxidada es torna trencadissa. Es desenvolupen micro-esquerdes. Les esquerdes exposen la superfície de la resina fresca a la solució, perpetuant l'atac.
A mesura que la resina es degrada, es desenvolupen diversos modes de fallada. L'enllaç de resina-grafit es debilita i les partícules de grafit es poden alliberar al corrent del procés. La pèrdua de resina de la superfície crea porositat superficial, augmentant la superfície real i accelerant l'atac posterior. Finalment, la porositat interconnectada es desenvolupa a través de la paret del tub i el fluid del procés es filtra per la paret de l'intercanviador de calor.
| Paràmetre de degradació | Grafit impermeable (resina fenòlica) | Grafit impermeable (resina Furan) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Enquadernador/estructura del material | Resina fenòlica en matriu de grafit | Resina furànica en matriu de grafit | Fluoropolímer homogeni |
| Resistència a l'oxidació del lligant | Pobre (atacat per Fe³⁺) | Moderat (millor que el fenòlic) | N/A (sense enquadernador) |
| Taxa de degradació de la resina a 80 graus en Fe₂(SO₄)₃ | 0,1-0,3 mm/any (recessió superficial) | 0,05-0,15 mm/any | 0 |
| Alliberament de partícules de grafit | Sí (a mesura que la resina es degrada) | Sí (tarifa reduïda) | Cap |
| Estat de la superfície després de 2 anys | Porós, rugós | Moderadament rugós | Llis, sense canvis |
| Permeabilitat després de 3-5 anys | Pot desenvolupar-se a través de-filtracions de paret | Pot desenvolupar-se a través de-filtracions de paret | Mai (permeabilitat zero) |
| Vida útil en Fe₂(SO₄)₃ a 80 graus (anys) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
La retroalimentació de l'erosió-degradació composta
La degradació de la resina crea porositat superficial. La superfície porosa és mecànicament més feble que la superfície impregnada de resina-original. En la solució de sulfat fèrric que flueix, la superfície porosa s'erosiona més ràpidament que una superfície llisa i impermeable. L'erosió elimina la resina degradada i les partícules de grafit parcialment separades, exposant el material fresc a un atac químic.
Aquest bucle de retroalimentació-atac químic que crea porositat, la porositat accelera l'erosió, l'erosió que exposa la superfície fresca-significa que la taxa de degradació del grafit impermeable és més ràpida del que prediria la taxa d'oxidació química. La degradació quimio-mecànica combinada determina la vida útil real.
El PTFE no té aquest tipus de comentaris. La superfície del polímer homogènia s'erosiona lentament i uniformement sota el flux, sense cap contribució química a la pèrdua de material. La velocitat d'erosió està determinada únicament per la velocitat del fluid i l'abrasivitat dels sòlids en suspensió-factors que afecten ambdós materials, però que només s'agreguen per un atac químic al grafit.
Resum
Els intercanviadors de calor de PTFE superen el grafit impermeable en solucions de sulfat fèrric calent perquè el PTFE és un material homogeni sense aglutinant de resina per oxidar. El grafit impermeable es basa en un impregnant de resina fenòlica o furànica que és atacada progressivament per l'ió fèrric oxidant, creant una porositat superficial que accelera l'erosió i, finalment, condueix a filtracions a través de la-paret. El PTFE proporciona una superfície llisa i químicament inert que només es degrada per l'erosió mecànica lenta, proporcionant una vida útil de 15+ anys enfront de 3-8 anys per al grafit impermeable.
El suport d'enginyeria per a l'especificació de l'intercanviador de calor de PTFE en aplicacions de sulfat fèrric i altres solucions oxidants està disponible quan s'envien les dades de composició de la solució, temperatura, velocitat de flux i vida útil actual de l'equip.
