Konsentroitu kaustinen ympäristö
Natriumhydroksidi, jonka pitoisuus on yli 50 % korotetussa lämpötilassa, on yksi aggressiivisimmista teollisuuskemikaaleista. Se liuottaa lasia, hyökkää useimpiin metalleihin emäksisen jännityskorroosiohalkeilun tai tasaisen liukenemisen kautta ja hajottaa monia polymeerejä alkalisen hydrolyysin kautta. Korkean pH:n (14+), kohonneen lämpötilan ja voimakkaan nukleofiilisen hydroksidi-ionin yhdistelmä tekee materiaalin valinnasta äärimmäisen rajallisen.
Alumiinioksidikeramiikka (alumiinioksidi, Al2O3) on yksi harvoista materiaaleista, jotka kestävät hyödyllisesti kuumaa tiivistettyä emäksistä. Sen ioninen-kovalenttinen sidos ja tiheä mikrorakenne takaavat kemiallisen stabiilisuuden alkalisissa ympäristöissä, joissa metallit ja lasit hajoavat. Alumiinioksidilämmönvaihtimet toimivat erikoistuneissa emäksisten aineiden käsittelysovelluksissa.
PTFE kestää yleisesti natriumhydroksidia kaikissa pitoisuuksissa ja lämpötiloissa aina 260 asteeseen asti. Vertailu alumiinioksidiin koskee keramiikkaa, joka kestää emäksistä oksidin termodynaamisen stabiilisuuden vuoksi, ja polymeeriä, joka on luonnostaan immuuni emäksiselle hyökkäykselle.
Alumiinioksidin liukenemismekanismi
Alumiinioksidi ei ole täysin inertti natriumhydroksidin suhteen. Suurissa pitoisuuksissa ja korkeissa lämpötiloissa tapahtuu hidas kemiallinen reaktio:
Al₂O3 + 2NaOH + 3H₂O → 2NaAl(OH)4
Natriumaluminaattituote on liukoinen ja liukenee emäksiseen liuokseen. Alumiinioksidin pinta etsautuu asteittain pois. Liukenemisnopeus riippuu voimakkaasti lämpötilasta ja emäspitoisuudesta.
50 % NaOH:ssa ja 100 asteessa korkean -puhtauden (99,7 %) alumiinioksidin liukenemisnopeus on noin 0,02-0,05 mm/vuosi. Tämä korko on riittävän alhainen teollisuuspalveluille, mutta se ei ole nolla. 10 vuoden käyttöiän aikana pintaa menetetään 0,2-0,5 mm. Alumiinioksidilämmönvaihdinputkien seinämän paksuudessa on oltava korroosiovara.
Liukeneminen on harvoin täysin tasaista. Alumiinioksidikeramiikka on monikiteistä, ja raeraajat etsautuvat hieman nopeammin kuin rakeiden sisäosat. Ajan myötä pinnan karheus kasvaa. Karhennettu pinta tarjoaa ytimen muodostumiskohtia emäksisten suolojen laskeutumiseen, mikä voi johtaa paikalliseen ali-kerrostumaan.
Taulukko 1: Väkevän emäksisen vastustuskyvyn vertailu (50 % NaOH)
| Resistanssiparametri | Alumiinioksidikeramiikka (99,7 % Al2O3) | PTFE |
|---|---|---|
| Korroosiomekanismi | Kemiallinen liukeneminen (Al2O3 → NaAl(OH)4) | Ei mitään |
| Liukenemisnopeus 100 astetta (mm/vuosi) | 0.02-0.05 | 0 |
| Liukenemisnopeus 150 astetta (mm/vuosi) | 0.10-0.30 | 0 |
| Lämpötilaraja 50 % NaOH:ssa ( aste ) | ~150 (nopeutettu liukeneminen yllä) | 260 |
| Pinnan karhennus ajan myötä | Kyllä (raeraajan etsaus) | Ei |
| Alttius lämpöshokkiin | Kohtalainen (keraaminen hauraus) | Ei mitään |
| Lämmönjohtavuus (W/m·K) | 25-35 | 0.25 |
| Mekaaninen vikatila | Hauras murtuma | Muovattava viruma |
| Valmistuksen monimutkaisuus | Korkea (erityinen keraaminen käsittely) | Kohtalainen |
Lämpöshokin haavoittuvuus
Alumiinioksidikeramiikka, kuten kaikki keramiikka, on hauras. Sen lämpöiskun kestävyyttä rajoittaa kohtuullisen lämpölaajenemiskertoimen (8 × 10⁻⁶/aste) ja korkean kimmokertoimen (350 GPa) yhdistelmä. Nopeat lämpötilan muutokset aiheuttavat lämpöjännitystä, joka voi murtaa keramiikkaa.
Syövyttävässä käsittelyssä lämpötilapoikkeamia tapahtuu käynnistyksen, sammutuksen ja prosessihäiriöiden aikana. Kuumaan alumiinioksidinvaihtimeen syötetty kylmä emäs tai kylmävaihtimeen kuuma emäs luo lämpögradientteja, jotka voivat rikkoa putkia. Murtumistodennäköisyys riippuu lämpötilan muutoksen suuruudesta ja nopeudesta sekä valmistuksesta tai huollosta aiheutuneiden pintavikojen olemassaolosta.
PTFE on immuuni lämpöshoille. Sen alhainen kimmomoduuli mahdollistaa sen mukautuvan nopeisiin lämpötilan muutoksiin elastisen muodonmuutoksen kautta. Normaalilla prosessin lämpötilan muutosnopeuksilla ei ole murtumismekanismia.
Lämmönsiirto- ja jalanjälkikauppa-pois
Alumiinioksidin lämmönjohtavuus 25-35 W/m·K on noin 100-140 kertaa suurempi kuin PTFE:n 0,25 W/m·K. Alumiinioksidilämmönvaihdin on dramaattisesti kompaktimpi samaan lämpökäyttöön. Tilarajoitteisissa asennuksissa tämä on merkittävä etu.
PTFE vaatii 3-4 kertaa pinta-alan, mikä johtaa suurempaan fyysiseen jalanjälkeen. Valinta alumiinioksidin ja PTFE:n välillä riippuu usein siitä, mahtuuko asennustilaan suurempi PTFE-vaihdin. Kun tilaa on käytettävissä, PTFE:n absoluuttinen sietokyky emäksistä liukenemista ja lämpöshokkimurtumista vastaan tarjoaa pienemmän riskin ratkaisun.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet ovat immuuneja natriumhydroksidille kaikissa pitoisuuksissa ja lämpötiloissa aina 260 asteeseen asti. Alumiinioksidikeramiikka kestää hyvin emäksistä, mutta liukenee hitaasti, mikä kuluttaa seinämän paksuutta ja karheuttaa pintoja ajan myötä. Alumiinioksidi on myös herkkä lämpöshokkimurtumille lämpötilan vaihteluista, minkä riskin PTFE eliminoi kokonaan.
Alumiinioksidin lämmönjohtavuusetu tarjoaa kompaktimman lämmönvaihtimen, mikä voi olla ratkaiseva-tilarajoitteisissa asennuksissa. Tilan salliessa PTFE:n absoluuttinen kemiallinen sietokyky ja hauraiden murtumien riski tekee siitä alhaisemman-riskin valinnan keskittyneeseen emäkseen.
Kaustisten huoltomateriaalien valinnan tekninen analyysi on saatavilla, kun NaOH-pitoisuus, käyttölämpötila-alue, lämpötilan kiertoominaisuudet, lämpökäyttö ja käytettävissä oleva asennustila on toimitettu.
