Väkevä happo -haaste
Rikkihappo yli 80 % pitoisuuksina ja yli 100 asteen lämpötiloissa muodostaa ainutlaatuisen korroosioympäristön. Happo on voimakkaasti hapettava, erittäin hygroskooppinen ja kykenee kuivattamaan orgaanisia yhdisteitä. Harvat materiaalit kestävät pitkäaikaista altistusta.
Zirkonium on yksi harvoista metalleista, joka kestää hyödyllisesti kuumaa väkevää rikkihappoa. Sen passiivinen ZrO₂-kalvo on vakaa voimakkaasti hapettavassa ympäristössä. Zirkoniumlämmönvaihtimet toimivat rikkihappotehtaissa, alkylointiyksiköissä ja kemiallisissa käsittelylaitoksissa, joissa happopitoisuus ja lämpötila ylittävät ruostumattomien terästen ja nikkeliseosten ominaisuudet.
PTFE on inertti rikkihapolle kaikissa pitoisuuksissa ja kaikissa lämpötiloissa 260 asteeseen asti. Vertailu zirkoniumiin vertaa sähkökemiallista passiivisuutta ja termodynaamista inerttiä -herkän pintakalvon läpi säilyvän materiaalin ja sellaisen materiaalin välillä, joka ei voi reagoida hapon kanssa ollenkaan.
Zirkoniumpassiivikalvon raja
Zirkonium vastustaa rikkihappoa tiheän, tarttuvan zirkoniumoksidikalvon kautta. Kalvo muodostuu spontaanisti ja paranee itsestään-hapettavassa ympäristössä. Yli 80 % väkevässä rikkihapossa hapon hapetuskyky pitää kalvon passiivisessa tilassa. Zirkonium syövyttää alle 0,025 mm/vuosi näissä olosuhteissa-erinomainen suorituskyky.
Zirkoniumilla on kuitenkin kriittinen haavoittuvuus rikkihappopalvelussa: passiivinen kalvo on stabiili vain, kun happopitoisuus ja lämpötila pysyvät tietyissä rajoissa. Jos happopitoisuus putoaa alle noin 65 %-prosessin häiriintymisen, huuhtelujakson laimentamisen tai säätövian aikana-, hapetusteho laskee. Passiivinen kalvo voi hajota. Sen jälkeen zirkonium syövyttää aktiivisesti yli 1 mm/vuosi.
Siirtyminen passiivisesta aktiiviseen korroosioon voi olla äkillinen. Yksi minuutteja kestävä laimennustapahtuma voi tuhota passiivikalvon. Kun väkevää happoa palautetaan, kalvo ei välttämättä{2}}muodostu tasaisesti. Paikallinen korroosio voi alkaa paikoissa, joissa kalvo ei palautunut. Vaihdin voi näyttää vahingoittumattomalta, kun korroosio tunneli seinän läpi muutamassa erillisessä kohdassa.
Lämpötilamuutokset lisäävät riskiä. Zirkoniumin korroosionopeus kasvaa merkittävästi yli 130-140 astetta väkevässä H2SO4:ssä. Höyryohjauksen toimintahäiriö, joka nostaa seinän lämpötilan tämän kynnyksen yläpuolelle, voi kiihdyttää korroosiota dramaattisesti.
Taulukko 1: PTFE vs. zirkonium kuumassa tiivistetyssä H₂SO₂4:ssä (85 %, 120 astetta)
| Vertailuparametri | Zirkonium (luokka 702) | PTFE |
|---|---|---|
| Korroosiomekanismi | Passiivinen ZrO₂-kalvo | Luontainen C-F-sidoksen vakaus |
| Korroosionopeus 85 % H₂SO₂:ssa 120 asteessa (mm/vuosi) | < 0.025 | 0 |
| Korroosionopeus, jos happo laskee 50 %:iin (mm/vuosi) | >1.0 (aktiivinen korroosio) | 0 |
| Suurin turvallinen käyttölämpötila ( astetta ) | 130-150 (pitoisuudesta riippuen) | 260 |
| Herkkyys prosessihäiriöille | Korkea (laimennus → kalvon hajoaminen) | Ei mitään |
| Herkkyys lämpötilan vaihteluille | Korkea (kiihtynyt korroosio yli 130 astetta) | Ei mitään (alle 260 astetta) |
| Lämmönjohtavuus (W/m·K) | 22 | 0.25 |
| Suhteellinen pinta-ala vaaditaan | 1.0× | 3-4× |
| Materiaalikustannukset (suhteellinen) | 20-30× | 1× |
| Valmistuksen monimutkaisuus | Korkea (erikoishitsaus; inertti ilmakehä) | Kohtalainen |
| Vikatila | Pistemäinen tai paikallinen korroosio prosessin häiriintymisestä | Asteittainen hiipuminen |
| Käyttöiän ennustettavuus | Kohtalainen (järkyttynyt-riippuvainen) | Korkea (ryömintä{0}}pohjainen laskelma) |
Prosessi järkyttynyt selviytyminen
Merkittävin ero zirkoniumin ja PTFE:n välillä väkevässä rikkihapossa on reagointi prosessihäiriöihin. Laimennustapahtuma, joka tuhoaa zirkoniumpassiivikalvon, ei tee mitään PTFE:lle. Lämpötilapiikki, joka kiihdyttää zirkoniumin korroosiota, ei vaikuta PTFE:hen alle 260 asteessa.
Kemialliset tehtaat kokevat prosessihäiriöitä. Säätöventtiilit kiinni. Operaattorit tekevät virheitä. Menettelyjä ei aina noudateta. Materiaali, joka vaatii jatkuvaa tiettyjen kemiallisten olosuhteiden ylläpitoa selviytyäkseen, on luonnostaan haavoittuvampi kuin se, joka on ehdoitta inertti.
Tämän haavoittuvuuden taloudellinen seuraus on joko odottamattoman epäonnistumisen riskin hyväksyminen tai investointi laajoihin prosessien ohjauksiin, lukituksiin ja valvontajärjestelmiin zirkoniumin suojaamiseksi olosuhteilta, joita se ei siedä. Näiden suojajärjestelmien kustannukset tulisi sisällyttää materiaalivertailuun.
Kustannukset ja jalanjälki
Zirkonium on kallis-noin 20-30 kertaa PTFE:n hinta raaka-ainekiloa kohden. Zirkoniumlämmönvaihtimet vaativat erikoisvalmistusta, mukaan lukien inertti-kaasuhitsaus ja jännityksenpoistolämpökäsittely. Valmiiden laitteiden hinta on 8-15 kertaa vastaavan PTFE-vaihtimen hinta.
PTFE vaatii 3-4 kertaa pinta-alan alhaisemman lämmönjohtavuuden vuoksi. Suurempi jalanjälki on ensisijainen PTFE-rangaistus. Jos asennustilaa on käytettävissä, alhaisemmat materiaalikustannukset ja prosessihäiriöiden kestävyys suosivat PTFE:tä. Kun tilaa on erittäin rajoitettu, zirkoniumin tiiviys voi oikeuttaa sen korkeammat kustannukset ja häiritä herkkyyttä.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet ovat ehdottoman inerttejä rikkihapolle kaikissa pitoisuuksissa ja lämpötiloissa aina 260 asteeseen asti. Zirkonium perustuu passiiviseen kalvoon, joka on stabiili väkevässä hapossa, mutta altis katastrofaaliselle hajoamiselle laimennus- tai lämpötilamuutosten aikana. PTFE:n prosessihäiriön kestävyys on ehdoton; zirkonium on ehdollinen.
PTFE:n alkuperäinen kustannusetu yhdistettynä prosessihäiriöiden epäonnistumisriskin eliminointiin tekee siitä alhaisemman{0}}riskivaihtoehdon useimpiin väkevöityihin rikkihapposovelluksiin sen lämpötilarajoissa. Zirkonium on varattu sovelluksiin, jotka ylittävät PTFE:n lämpötilakapasiteetin tai vaativat tiiviyttä, jonka vain metalli voi tarjota.
Tekninen analyysi tiivistetyn H2SO₄-käyttömateriaalin valinnasta on saatavilla, kun toimitetaan hapon pitoisuusalue, normaalit ja häiriölämpötilat, lämpökäyttö, käytettävissä oleva tila ja prosessin ohjauksen luotettavuustiedot.
