Perinteinen materiaali
Lyijyä on käytetty rikkihappopalveluissa yli vuosisadan ajan. Sen vastustuskyky rikkihappoa vastaan johtuu suojaavan lyijysulfaattikalvon muodostumisesta, joka on happoon liukenematon. Lyijy-pinnoitettu kupari-kupariputki, jonka lyijyvaippa on metallurgisesti kiinnitetty ulkoa-, yhdistää lyijyn korroosionkestävyyden kuparin lämmönjohtavuuteen. Tämä oli vuosikymmeniä rikkihappopeittauskylpyjen vakiolämmönvaihdinmateriaali.
Monet näistä lyijyllä{0}}päällystetyistä kuparivaihtimista ovat edelleen käytössä. Niitä vaihdetaan, kun ne epäonnistuvat, ja PTFE on yhä useammin korvaava materiaali. Kysymys ei ole siitä, toimiiko lyijy-kupari-, toimiiko se jonkin aikaa. Kysymys kuuluu, kuinka sen vikamekanismit ja käyttöikä verrataan PTFE:hen nykyaikaisessa peittaustoiminnassa.
Eroosio{0}}korroosiomekanismi
Lyijy on pehmeää. Sen Brinell-kovuus on noin 4-5 HB verrattuna kuparin 35-50 HB:iin ja ruostumattoman teräksen 120-180 HB:iin. Peittauskylvyssä, jossa on liuoskierto, virtaava happo kuluttaa jatkuvasti lyijysulfaattisuojakalvoa. Kalvo uudistuu, mutta jokainen eroosio-reformaatiosykli kuluttaa pienen määrän lyijyä.
Alueilla, joilla on suuri virtausnopeus-lähellä kiertovesipumpun poistoaukoja, imuputkisuuttimia tai ilmasuihkuputkia-eroosionopeus kiihtyy. Lyijyvaippa ohenee ensisijaisesti näissä kohdissa. Vuosien käytön aikana vaippa voi ohenea niin pitkälle, että alla oleva kupari paljastuu.
Kun kupari joutuu kosketuksiin rikkihapon kanssa, se syöpyy nopeasti vedyn kehittyessä. Kuparin liukeneminen heikentää viereistä lyijyvaippaa. Epäonnistuminen kaskadee. Pieni eroosion rikkoutuminen laajenee suureksi vuodaksi.
PTFE:llä ei ole kuluvaa suojakalvoa. Materiaali on homogeeninen; sen pinta on sen bulkki. Virtaushankaus voi kuluttaa pintaa hitaasti, mutta nopeus on suuruusluokkaa pienempi kuin lyijyn eroosio{2}}korroosio. Peittauspalvelussa olevissa PTFE-putkissa seinämän häviö on merkityksetöntä vuosikymmenen jatkuvan virtausaltistuksen jälkeen.
Taulukko 1: Käyttöiän vertailu 15 % H2SO4 peittauksessa 70 asteessa
| Suorituskykyparametri | Lyijy-päällystetty kupari | PTFE |
|---|---|---|
| Korroosiosuojamekanismi | PbSO₄-passiivinen kalvo | Luontainen C-F-sidoksen vakaus |
| Kalvon eroosionopeus kiertävässä hapossa (μm/vuosi) | 10-50 (nopeudesta riippuvainen) | 0 (ei elokuvaa) |
| Epäjalometallien altistumisen riski | Kyllä (eroosiokohteissa) | Ei mitään (ei epäjaloa metallia) |
| Lämmönjohtavuus (W/m·K) | ~40 (yhdistelmä) | 0.25 |
| Lämpöpyöräilyn kestävyys | Huono (lyijy-viruminen; kupari-lyijyn käyttöliittymän heikkeneminen) | Erinomainen |
| Käyttöikä jatkuvassa peittauksessa | 3-7 vuotta | 15+ vuotta |
| Korjausmenetelmä | Ei korjattavissa (vain vaihto) | Kenttätulpan tai putken vaihto |
| Ympäristö-/käsittelyongelmat | Lyijy on myrkyllistä; hävittäminen säännelty | Inertti; ei--vaarallinen hävittäminen |
Lämpöpyöräilyn väsymisongelma
Peittauskylpyjä käytetään usein päivittäin tai viikoittain: lämmitetään 70 asteeseen tuotannon aikana, jäähdytetään ympäristöön sammutuksen aikana. Jokainen sykli aiheuttaa lämmönlaajenemisen ja supistumisen lämmönvaihtimeen.
Lyijyllä ja kuparilla on merkittävästi erilaiset lämpölaajenemiskertoimet: lyijyllä 29 × 10⁻⁶/aste, kuparilla 17 × 10⁻⁶/aste. Kuumennettaessa lyijyvaippa laajenee enemmän kuin kupariydin. Jäähtyessään se supistuu enemmän. Differentiaaliliike luo leikkausjännitystä metallurgisen sidoksen rajapinnassa.
Satojen lämpösyklien aikana sidosrajapinta väsyy. Lyijyn ja kuparin välille muodostuu pieniä erotuksia. Erotukset vähentävät lämmönsiirtoa-rako, jopa mikroskooppinen, lisää lämmönkestävyyttä. Ne luovat myös tukkeutuneita vyöhykkeitä, joissa happo voi tunkeutua ja hyökätä suoraan kupariin, mikä nopeuttaa vikaprosessia.
PTFE-putket ovat homogeenisia{0}}ei ole rajapintaa erottamiseen. Lämpölaajeneminen tapahtuu koko putken seinämän elastisella muodonmuutoksella. Eriarvoista stressiä ei synny. Normaaleissa peittauskäyttölämpötiloissa ei ole väsymismekanismia.
Ympäristö- ja turvallisuustekijä
Lyijy on myrkyllinen metalli. Sen käyttöä teollisuuslaitteissa rajoittavat yhä enemmän ympäristö- ja työterveysmääräykset. Käytettyjen lyijyllä päällystettyjen kuparin{2}vaihtimien hävittäminen edellyttää vaarallisen jätteen käsittelyä, manifestointia ja luvanvaraista käsittelyä. Hävityskustannukset lisäävät elinkaaren kokonaiskustannuksia.
PTFE on myrkytön ja kemiallisesti inertti. Hävitys -erikoisjätteenä- on vaaratonta teollisuusjätteitä. Mitään erityistä käsittelyä, ilmentämistä tai käsittelyä ei tarvita. Vaikka tämä ero ei olekaan ensisijainen tekninen tekijä, se vastaa suuntausta poistaa myrkyllisiä aineita teollisista prosesseista.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet kestävät lyijy-päällystettyä kuparia kauemmin rikkihappopeittauksessa, koska PTFE eliminoi lyijyn suojakalvon eroosion-korroosion, lyijy-kuparisidosrajapinnan lämpöväsymisen ja pinnoitetulle metallirakenteelle ominaiset progressiiviset vikatilat. Lyijy-päällystetty kupari palveli tarkoituksensa vuosisadan, mutta sen 3–7 vuoden käyttöikä, kentällä korjattamattomuus ja myrkyllisten hävitysvaatimukset tekevät siitä taloudellisesti ja ympäristöllisesti huonomman kuin PTFE nykyaikaisissa peittaustoiminnoissa.
Siirtymistä lyijypäällystetystä kuparista-PTFE:hen ohjaa pidempi käyttöikä, kenttäkorjattavuus ja myrkyllisten materiaalien käsittelyn eliminointi. Vastaavan lämpöveron edellyttämä suurempi PTFE-jalanjälki on yksittäinen-alennus tässä muunnoksessa.
Peittauskylvyn lämmönvaihtimen päivityksen tekninen analyysi on saatavilla, kun happopitoisuus, käyttölämpötila, kiertovirtauksen ominaisuudet ja vaihtimen nykyinen käyttöikä ja vikahistoria on toimitettu.
