Quá trình clo-kiềm tạo ra clo và xút, liên quan đến một số chất lỏng ăn mòn nhất trong hóa học công nghiệp-nước muối đậm đặc, khí clo ướt và xút mạnh. Bộ trao đổi nhiệt trong các nhà máy này phải chịu được các điều kiện khắc nghiệt.Trao đổi nhiệt PTFE ngành công nghiệp kiềm clocác ứng dụng đã trở nên cần thiết để xử lý các dòng này một cách đáng tin cậy, vì khả năng kháng hóa chất đặc biệt của fluoropolymer vượt trội hơn hầu hết các kim loại trong các dịch vụ này.
Môi trường ăn mòn của cây clo{0}}kiềm
Ba luồng quy trình chính chi phối quá trình sản xuất clo-kiềm (thông qua công nghệ màng ngăn, thủy ngân hoặc tế bào màng):
Nước muối (dung dịch natri clorua): Bão hòa hoặc gần bão hòa, thường ở 60–90 độ, thường chứa tạp chất canxi, magie và sunfat. Nước muối nóng có tính ăn mòn cao đối với thép cacbon và nhiều loại thép không gỉ do clorua-gây ra hiện tượng ăn mòn rỗ và kẽ hở.
Xút (natri hydroxit): Cô đặc (32–50% NaOH) ở nhiệt độ từ 80 độ trong nước thải tế bào đến 150 độ trong quá trình bay hơi. Chất ăn da nóng gây ra vết nứt do ăn mòn ứng suất trong thép không gỉ austenit và nhanh chóng tấn công nhôm và kẽm.
Khí clo ướt: Clo bão hòa với hơi nước có tính oxy hóa cực mạnh. Nó tạo thành axit clohydric và hypochlorous có khả năng phá hủy hầu hết các kim loại, kể cả thép không gỉ và titan, trong một thời gian ngắn.
Bộ trao đổi nhiệt cũng phải xử lý rượu anốt (nước muối cạn), nước ngưng clo và các dòng tái chế khác nhau. Các bộ trao đổi nhiệt kim loại thông thường bị hỏng nhanh chóng trong một hoặc nhiều môi trường này, khiến fluoropolyme trở thành một giải pháp thay thế hấp dẫn.
Các ứng dụng chính của bộ trao đổi nhiệt PTFE trong nhà máy clo{0}}kiềm
Bộ trao đổi nhiệt PTFE (polytetrafluoroethylene) được sử dụng trong một số dịch vụ quan trọng trong đó khả năng chống ăn mòn được ưu tiên hơn hiệu suất nhiệt. Độ dẫn nhiệt thấp của PTFE (≈0,25 W/m·K) được bù đắp bằng diện tích bề mặt lớn (ví dụ: nhiều bó ống hoặc thiết kế cuộn dây) và loại bỏ thời gian ngừng hoạt động do hỏng bộ trao đổi kim loại.
Máy làm nóng nước muối
Nước muối thô phải được đun nóng đến nhiệt độ hoạt động của tế bào (thường là 70–85 độ đối với tế bào màng) trước khi điện phân. Cuộn dây ngâm PTFE hoặc bộ trao đổi vỏ-và-ống được đặt trực tiếp trong bể nước muối hoặc trong các vòng tuần hoàn. Nước muối thường bão hòa clo và có thể chứa hypochlorite từ dòng tế bào quay trở lại. PTFE chống lại tất cả các loại này mà không bị ăn mòn rỗ hoặc kẽ hở.
Ở thực vật có tế bào màng, độ tinh khiết của nước muối là rất quan trọng để tránh nhiễm độc màng trao đổi ion. Bộ trao đổi PTFE không đưa ion kim loại vào nước muối, duy trì tuổi thọ của màng. Các chất trao đổi kim loại (ví dụ titan) vẫn có thể bị ăn mòn khi có clo tự do hoặc dưới lớp cặn, trong khi PTFE vẫn trơ.
Máy làm mát ăn da
Nước thải catholyte từ tế bào kiềm clo-chứa 32–35% NaOH ở khoảng 80–90 độ . Chất này phải được làm nguội trước khi bảo quản hoặc cô đặc thêm. Bộ trao đổi nhiệt dạng ống-và-ống PTFE được sử dụng với nước làm mát ở phía vỏ và chất ăn da chảy qua ống PTFE. Chất fluoropolymer chống lại chất ăn da ở nhiệt độ này mà không có nguy cơ bị ăn mòn do ăn da hoặc bị ăn mòn do ứng suất.
Đối với chất ăn da ở nhiệt độ cao hơn (trên 110 độ, chẳng hạn như trong mạch bay hơi), bộ trao đổi PFA (perfluoroalkoxy) hoặc kim loại lạ như Niken 200 được ưu tiên vì PTFE bắt đầu mềm đi một chút trên 120 độ, mặc dù khả năng kháng hóa chất của nó vẫn còn nguyên. Tuy nhiên, đối với phạm vi 80–90 độ điển hình, PTFE hoàn toàn phù hợp.
Máy làm mát khí clo ướt
Clo rời khỏi tế bào sẽ nóng (80–95 độ) và bão hòa hơi nước. Làm mát nó ngưng tụ phần lớn nước và giảm sự ăn mòn ở hạ lưu. Một ống PTFE-và-bộ trao đổi vỏ được sử dụng, với khí clo ướt đi qua các ống PTFE và nước làm mát xung quanh chúng. Bề mặt PTFE không phản ứng với clo ướt hoặc với axit clohydric và hypochlorous hình thành khi ngưng tụ.
Bộ làm mát bằng kim loại dành cho dịch vụ clo ướt yêu cầu hợp kim đắt tiền (ví dụ: tantalum, Hastelloy C‑22) và vẫn có tuổi thọ hạn chế. Bộ trao đổi nhiệt PTFE, mặc dù lớn hơn cho cùng một nhiệm vụ nhưng vẫn hoạt động trong nhiều năm mà không bị ăn mòn. Chúng cũng được sử dụng làm thiết bị ngưng tụ clo sau tháp sấy, nơi khí khô hơn nhiều nhưng vẫn có tính ăn mòn.
Máy làm mát/làm mát khử clo bằng nước muối
Nước muối cạn kiệt (anolyte) rời khỏi tế bào có chứa clo hòa tan. Trước khi nước muối được tái chế và bão hòa lại, clo phải được loại bỏ (khử clo) bằng chân không hoặc tách khí. Nước muối thường được đun nóng đến 85–95 C để hỗ trợ khử clo. Bộ trao đổi PTFE được sử dụng để thu hồi nhiệt từ nước muối đã khử clo đi ra, làm nóng trước nước muối mới vào. Vòng trao đổi nhiệt này xử lý các chất lỏng có tính ăn mòn và có thể chứa clo dư, khiến PTFE trở thành sự lựa chọn thiết thực.
Trung hòa dòng thải
Dòng chất thải có tính axit hoặc kiềm từ nhà máy clo-kiềm được trung hòa trước khi thải ra ngoài. Bộ trao đổi nhiệt PTFE đôi khi được sử dụng để thu hồi nhiệt từ các phản ứng trung hòa này hoặc để làm mát dòng nước trung hòa. Phạm vi pH rộng (từ có tính axit cao đến tính kiềm cao) không ảnh hưởng đến PTFE.
Tại sao PTFE được ưa chuộng hơn kim loại cho các dịch vụ này
| Chất lỏng xử lý | Vấn đề trao đổi kim loại | Lợi thế của PTFE |
|---|---|---|
| Nước muối bão hòa nóng (với Cl₂, OCl⁻) | Titan có thể ăn mòn khi có clo tự do; rỗ thép không gỉ; hợp kim niken đắt tiền | PTFE trơ với tất cả các thành phần nước muối; không lọc ion kim loại |
| Xút nóng (32–50%, 80–90 độ) | nứt ăn mòn ứng suất thép không gỉ; hợp kim niken đắt tiền | PTFE chống ăn da; không có cơ chế bẻ khóa |
| Khí clo ướt | Chỉ tantalum hoặc hợp kim đặc biệt mới tồn tại được; chi phí cao và thời gian thực hiện | PTFE hoàn toàn kháng; chi phí vốn thấp hơn (mặc dù quy mô lớn hơn) |
| Hỗn hợp axit/kiềm trong dòng thải | Ăn mòn nhanh do thay đổi pH | PTFE không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ độ pH nào |
Vật liệu được lựa chọn cho nhiều dịch vụ trong nhà máy clo-kiềm là PTFE khi nhiệt độ vận hành không vượt quá khoảng 110 độ. Trên đó, các chất thay thế PFA hoặc kim loại đã được xem xét, nhưng phần lớn nhiệm vụ trao đổi nhiệt trong xử lý nước muối, nhà tế bào và xử lý clo đều nằm trong phạm vi nhiệt độ của PTFE.
Những cân nhắc về thiết kế cho bộ trao đổi PTFE trong dịch vụ clo{0}}kiềm
Giới hạn nhiệt độ
PTFE có giới hạn sử dụng liên tục khoảng 260 độ trong các ứng dụng không{1}}chịu tải-nhưng đối với các bộ trao đổi nhiệt trong đó polyme chịu áp suất bên trong từ môi trường làm nóng/làm mát thì giới hạn thực tế sẽ thấp hơn. Đối với các ứng dụng clo{4}}kiềm, bộ trao đổi PTFE thường được chỉ định cho chất lỏng dưới 110 độ. Đối với thiết bị bay hơi ăn da hoạt động trên 120 độ, PFA (điểm nóng chảy 305 độ) hoặc bộ trao đổi lót-có chất đàn hồi perfluorinated được sử dụng.
Xếp hạng áp lực
Ống PTFE không có cấu trúc. Chúng được đỡ bằng các tấm ống hoặc quấn quanh khung. Áp suất bên vỏ-được giới hạn ở 3–5 bar (đồng hồ đo) tùy thuộc vào thiết kế. Áp suất bên ống-cho môi trường bên trong (hơi nước, nước, glycol) cũng ở mức vừa phải. Đối với các ứng dụng áp suất cao-, bộ trao đổi kim loại có lớp lót PTFE được sử dụng thay cho các bộ trao đổi chất rắn PTFE.
Sưởi ấm bằng hơi nước
Khi sử dụng hơi nước làm môi trường gia nhiệt cho nước muối hoặc xút, nên sử dụng hơi nước-áp suất thấp (thường là 1–2 bar, tương ứng với 120–130 độ ) để tránh làm bề mặt PTFE quá nóng ở bề mặt ống hơi-. Nếu cần áp suất hơi cao hơn, thì bộ trao đổi PFA hoặc bộ trao đổi nhiệt hơi nước-sang-với bộ trao đổi thứ cấp PTFE sẽ được sử dụng.
Làm bẩn và làm sạch
Bề mặt chống dính của PTFE-giảm thiểu độ bám dính của cặn từ muối nước muối hoặc chất ăn da. Nếu xảy ra cặn, bộ trao đổi có thể được làm sạch bằng axit clohydric loãng (đối với cặn cacbonat) hoặc bằng cách khuấy trộn cơ học mà không làm hỏng ống. Xả hơi nước hoặc nước nóng cũng có hiệu quả. Không giống như các bộ trao đổi kim loại, việc làm sạch bằng hóa chất không ăn mòn bề mặt PTFE.
Các ứng dụng trao đổi PTFE điển hình trong nhà máy clo{0}}kiềm – Bảng tóm tắt
| Ứng dụng | Chất lỏng xử lý | Phạm vi nhiệt độ | Phương tiện sưởi ấm/làm mát | Loại trao đổi PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Máy làm nóng nước muối | Nước muối NaCl bão hòa, có thể chứa Cl₂ | 25 độ → 75–85 độ | Hơi nước hoặc nước nóng có áp suất-thấp | Cuộn dây ngâm hoặc vỏ-và-ống |
| Máy làm mát xút | 32–50% NaOH | 85 độ → 40 độ | Nước làm mát | Vỏ-và-ống (ăn da trong ống) |
| Máy làm mát clo ướt | Khí Cl₂ bão hòa H₂O | 80 độ → 25–30 độ | Nước làm mát | Vỏ-và-ống (khí trong ống) |
| Máy khử clo nước muối | Nước muối cạn có Cl₂ dư | 65 độ → 85 độ | Nước nóng hoặc hơi nước | Cuộn dây ngâm |
| Bộ làm mát Anolyte | Anolyte (nước muối cạn + Cl₂) | 85 độ → 50 độ | Nước làm mát | Vỏ-và-ống |
| Máy làm mát trung hòa chất thải | Nước thải có tính axit hoặc kiềm | Thay đổi → 30 độ | Nước làm mát | Cuộn dây ngâm hoặc vỏ-và-ống |
Hạn chế và lựa chọn thay thế
Mặc dù PTFE có độ bền cao nhưng nó không phải là giải pháp phổ biến. Đối với các điều kiện sau, nên sử dụng vật liệu thay thế:
Ăn da trên 110 độ: PFA hoặc Niken 200 (đối với 50% NaOH ở 150 độ). PTFE mềm đi và có thể bị dão dưới áp lực.
High-pressure steam (>5 thanh): Bộ trao đổi kim loại có lớp lót fluoropolymer hoặc ống PFA có giá đỡ bằng kim loại.
Axit tuần hoàn tháp sấy clo (93–98% H₂SO₄): Axit sulfuric nồng độ-cao ở nhiệt độ vừa phải có thể chấp nhận được đối với PTFE, nhưng nhiều nhà máy sử dụng thép không gỉ hoặc thép lót Teflon-.
Clo lỏng (khan): PTFE tương thích, nhưng thép cacbon thường được sử dụng vì clo lỏng không ăn mòn khi không có nước.
Phần kết luận
Bộ trao đổi nhiệt PTFE là sản phẩm đặc biệt trong ngành công nghiệp clo-kiềm dành cho các dịch vụ có nhiệt độ-trung bình, ăn mòn. Chúng xử lý đáng tin cậy nước muối nóng, khí clo ướt và xút ở nhiệt độ lên tới 110 độ, nơi kim loại bị rỗ, nứt hoặc ăn mòn nói chung nhanh chóng. Bản chất không-dính, trơ về mặt hóa học của PTFE cũng giúp giảm thiểu sự bám bẩn và đơn giản hóa việc làm sạch. Các ứng dụng bao gồm bộ làm nóng nước muối, bộ làm mát bằng xút, bộ làm mát khí clo và bộ sưởi khử clo. Trong khi độ dẫn nhiệt thấp của PTFE đòi hỏi diện tích truyền nhiệt lớn hơn, việc giảm thời gian dừng bảo trì và thay thế sẽ bù đắp được nhiều hơn. Hiệu suất vật liệu đã được chứng minh là nền tảng cho việc sản xuất hóa chất đáng tin cậy vàTrao đổi nhiệt PTFE ngành công nghiệp kiềm clocác ứng dụng tiếp tục mở rộng khi các nhà vận hành nhà máy tìm kiếm các giải pháp-lâu dài, không bị ăn mòn-.
