Thử thách axit clohydric
Axit clohydric ở nồng độ trên 5% và nhiệt độ trên 60 độ là một trong những môi trường công nghiệp khắc nghiệt nhất đối với vật liệu kim loại. Ion clorua, nhỏ và có tính di động cao, xuyên qua các màng thụ động, bắt đầu rỗ và duy trì sự ăn mòn kẽ hở tự xúc tác. Thép không gỉ tiêu chuẩn và titan bị tấn công nhanh chóng.
Hợp kim titan{0}}palađi (Cấp 7 hoặc Cấp 11) được phát triển đặc biệt để mở rộng khả năng chống ăn mòn của titan trong môi trường axit khử. Lượng paladi bổ sung nhỏ-0,12-0,25% làm biến đổi hợp kim về mặt catốt, chuyển khả năng ăn mòn của nó sang phạm vi thụ động. Hợp kim này có thể xử lý nồng độ và nhiệt độ HCl mà titan nguyên chất thương mại không thể làm được.
PTFE không cần hợp kim để chống lại HCl. Liên kết flo-carbon của nó không bị ảnh hưởng bởi sự tấn công của clorua ở bất kỳ nồng độ nào và bất kỳ nhiệt độ nào lên tới 260 độ . Việc lựa chọn giữa hợp kim Ti-Pd và PTFE cho dịch vụ HCl không phải là về khả năng bị ăn mòn-cả hai đều có thể tồn tại. Đó là về độ tin cậy ăn mòn, chi phí và hậu quả của sự khác biệt về chế độ hư hỏng không thể tránh khỏi.
Giới hạn phim thụ động Ti{0}}Pd
Hợp kim titan{0}}palađi kháng HCl thông qua màng TiO₂ thụ động ổn định. Paladi, hiện diện ở pha thứ hai được phân tán mịn, cung cấp các vị trí catốt giúp chuyển-điện thế mạch hở của hợp kim sang miền thụ động. Cơ chế là điện hóa, không phải nhiệt động. Bộ phim thụ động phải được duy trì liên tục.
Trong HCl nóng, màng thụ động ở trạng thái cân bằng động với axit. Nó tan biến từ từ và cải cách liên tục. Hợp kim bị ăn mòn ở tốc độ rất thấp nhưng có thể đo lường được-thường là 0,01-0,05 mm/năm trong HCl 10% ở 80 độ . Trong thời gian sử dụng 10 năm, sự ăn mòn đồng đều này tiêu tốn độ dày thành 0,1-0,5mm.
Tốc độ ăn mòn đồng đều có thể quản lý được với mức cho phép ăn mòn. Rủi ro lớn hơn là sự cố cục bộ. Nếu một hạt sắt từ dụng cụ bằng thép bám vào bề mặt, nó sẽ tạo thành một tế bào điện hoạt động. Nếu có một kẽ hở hình thành bên dưới miếng đệm hoặc cặn lắng thì phản ứng hóa học bị tắc nghẽn sẽ trở nên mạnh mẽ hơn. Nếu sự phân bổ palladium không-đồng đều-lỗi sản xuất-các vùng không được bảo vệ cục bộ sẽ bị ăn mòn nhanh chóng. Các cơ chế hư hỏng cục bộ này mang tính xác suất, không mang tính quyết định. Hai bộ trao đổi Ti-Pd giống hệt nhau hoạt động giống nhau có thể có tuổi thọ sử dụng khác nhau.
Bảng 1: PTFE so với Titanium-Palladi trong dịch vụ HCl nóng (10% HCl, 80 độ )
| Thông số so sánh | Titan-Palladi (Cấp 7) | PTFE |
|---|---|---|
| Cơ chế ăn mòn | Ổn định phim thụ động bằng Pd | Tính ổn định của liên kết flo- cacbon vốn có |
| Tốc độ ăn mòn đồng đều (mm/năm) | 0.01-0.05 | 0 |
| Nguy cơ ăn mòn cục bộ | Có thể ăn mòn kẽ hở; Độ nhạy ô nhiễm Fe | Không có |
| Nhiệt độ sử dụng tối đa tính bằng HCl | ~100 độ (phụ thuộc vào nồng độ) | 260 độ |
| Giới hạn nồng độ HCl | 15-20% ở 80 độ | Bất kỳ sự tập trung |
| Độ dẫn nhiệt (W/m·K) | 21 | 0.25 |
| Diện tích bề mặt tương đối cần thiết | 1.0× | 3-4× (dấu chân lớn hơn) |
| Chi phí vật liệu (tương đối) | 15-25× | 1× |
| Độ phức tạp chế tạo | Cao (chuyên hàn; kiểm tra độ đồng nhất Pd) | Vừa phải |
| Khả năng dự đoán lỗi | Xác suất (phân tích cục bộ) | Có tính xác định (có thể tính được tuổi thọ của dây leo) |
| Khả năng dự đoán tuổi thọ dịch vụ | 5-10 năm không chắc chắn | 15+ năm với tính toán-dựa trên thiết kế |
Độ tương phản của chế độ thất bại
Khi bộ trao đổi nhiệt Ti-Pd bị hỏng trong quá trình sử dụng HCl, lỗi thường là do rò rỉ lỗ kim do rỗ cục bộ hoặc ăn mòn kẽ hở. Sự rò rỉ có thể xảy ra đột ngột-một cái hố xuyên qua-tường mà không làm mỏng đi đáng kể. Chất lỏng xử lý đi vào hệ thống ngưng tụ hơi nước. Sản xuất dừng lại. Bộ trao đổi phải được thay thế.
Khi bộ trao đổi nhiệt PTFE hết tuổi thọ-thường sau 10-15 năm trở lên-chế độ hư hỏng diễn ra dần dần: thành mỏng đi do rão, được phát hiện bằng phép đo siêu âm trong quá trình kiểm tra theo lịch trình. Ống được thay thế trước khi nó bị rò rỉ. Không có thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch xảy ra.
Sự khác biệt về khả năng dự đoán có giá trị kinh tế. Việc thay thế theo kế hoạch trong quá trình bảo trì định kỳ sẽ tốn một phần chi phí thay thế khẩn cấp trong quá trình sản xuất. Đối với các quy trình mà thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến gây tốn kém 5.000-10.000 USD mỗi giờ, khả năng dự đoán được sự cố của PTFE là một lợi thế tài chính đáng kể.
So sánh chi phí qua thời gian sử dụng
Bộ trao đổi nhiệt hợp kim Ti-Pd có giá vật liệu cao hơn 15-25 lần so với PTFE trên mỗi kg nhưng cần ít diện tích bề mặt hơn do tính dẫn nhiệt cao hơn. Chi phí thiết bị ban đầu cho Ti-Pd thường cao hơn 4-8 lần so với PTFE cho cùng một mức nhiệt.
Trong thời gian sử dụng 15{1}}năm, bộ trao đổi nhiệt Ti-Pd có thể cần một hoặc hai lần thay thế ngoài kế hoạch do ăn mòn cục bộ, mỗi lần thay thế đều phát sinh thời gian ngừng hoạt động và chi phí lắp đặt. Bộ trao đổi PTFE không yêu cầu thay thế, chỉ cần kiểm tra theo lịch trình.
Tổng chi phí vòng đời, bao gồm thiết bị ban đầu, lắp đặt, bảo trì theo kế hoạch và chi phí-có trọng số của các sự cố ngoài dự kiến, ưu tiên cho PTFE theo hệ số 2-3 trong hầu hết các ứng dụng HCl trong phạm vi hoạt động của PTFE.
Bản tóm tắt
Bộ trao đổi nhiệt PTFE mang lại độ tin cậy vượt trội so với hợp kim titan-palađi trong dịch vụ HCl nóng vì khả năng chống ăn mòn của PTFE là nhiệt động lực học và tuyệt đối, trong khi Ti-Pd dựa vào quá trình thụ động điện hóa có thể phân hủy cục bộ. Lợi thế về chi phí ban đầu nhờ tính dẫn nhiệt cao hơn của Ti-Pd được bù đắp bằng chi phí vật liệu thấp hơn, tuổi thọ sử dụng dài hơn và chế độ hư hỏng có thể dự đoán được giúp loại bỏ thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến.
Đối với nồng độ HCl và nhiệt độ trong giới hạn 260 độ của PTFE, PTFE cung cấp giải pháp vượt trội về mặt kinh tế và vận hành. Ti-Pd được dành riêng cho các ứng dụng vượt quá giới hạn nhiệt độ của PTFE hoặc yêu cầu các tính chất cơ học của kim loại.
Phân tích kỹ thuật để lựa chọn vật liệu dịch vụ HCl có sẵn khi gửi dữ liệu về nồng độ axit, nhiệt độ, áp suất, công suất nhiệt và tuổi thọ sử dụng thiết bị hiện tại.
