Rautasulfaattiympäristö
Rautasulfaattiliuoksia käytetään teräksen peittauksessa, titaanidioksidipigmentin valmistuksessa ja etsausaineina metallien viimeistelyssä. Liuos sisältää ferrirautaa pitoisuuksina 50-200 g/l Fe2(SO4)3:na, vapaata rikkihappoa 20-100 g/l, toimien 60-90 asteessa. Rauta-ionin voimakkaan hapetusvoiman ja rikkihapon happamuuden yhdistelmä luo aggressiivisen ympäristön monille materiaaleille.
Läpäisemätöntä grafiittia-grafiittia, joka on kyllästetty fenoli- tai furaanihartsilla huokoisuuden poistamiseksi-, käytetään laajasti tämän palvelun lämmönvaihtimissa. Grafiitti itsessään kestää sekä rikkihappoa että rautasulfaattia. Hartsikyllästysaine ei kuitenkaan jaa tätä kestävyyttä. Ajan kuluessa korotetussa lämpötilassa rautasulfaattiliuos hapettaa hartsin aiheuttaen asteittaista hajoamista.
PTFE:ssä ei ole hajottavaa hartsikyllästettä. Koko materiaali on kemiallisesti inerttiä rautasulfaatille ja rikkihapolle. Läpäisemättömän grafiitin ja PTFE:n vertailu tässä palvelussa on komposiittimateriaalin, jonka sideaine hitaasti hajoaa, ja homogeenisen materiaalin välillä, joka ei voi reagoida kemiallisesti prosessinesteen kanssa.
Hartsin hajoamismekanismi
Läpäisemätön grafiitti valmistetaan kyllästämällä huokoinen grafiitti lämpökovettuvalla hartsilla-tyypillisesti fenoli- tai furaani-tyhjiössä ja paineessa. Hartsi täyttää toisiinsa liittyvät huokoset tehden materiaalista prosessinesteitä läpäisemättömän. Grafiitti tarjoaa lämmönjohtavuuden ja kemiallisen kestävyyden. Hartsi tarjoaa läpäisemättömyyden.
Ferrisulfaatti hyökkää hartsiin hapettumisen kautta. Rauta-ioni (Fe³⁺) on voimakas hapetin. Se poistaa vetyä hartsipolymeeristä ja muodostaa vapaita radikaaleja, jotka reagoivat liuenneen hapen kanssa muodostaen karbonyyli- ja karboksyyliryhmiä. Hapettunut hartsi muuttuu hauraaksi. Mikro-halkeamia kehittyy. Halkeamat paljastavat tuoreen hartsipinnan liuokselle, mikä jatkaa hyökkäystä.
Kun hartsi hajoaa, kehittyy useita vikatiloja. Hartsi-grafiittisidos heikkenee ja grafiittihiukkasia voi vapautua prosessivirtaan. Hartsin häviäminen pinnalta luo pinnan huokoisuutta, mikä lisää todellista pinta-alaa ja kiihdyttää lisähyökkäystä. Lopulta putken seinämän läpi muodostuu toisiinsa liittyvää huokoisuutta ja prosessineste vuotaa lämmönvaihtimen seinämän läpi.
| Hajoamisparametri | Läpäisemätön grafiitti (fenolihartsi) | Läpäisemätön grafiitti (furaanihartsi) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Sideaine/materiaalirakenne | Fenolihartsi grafiittimatriisissa | Furaanihartsi grafiittimatriisissa | Homogeeninen fluoripolymeeri |
| Sideaineen hapettumiskestävyys | Huono (Fe³⁺ hyökkää) | Kohtalainen (parempi kuin fenoli) | Ei käytössä (ei sideainetta) |
| Hartsin hajoamisnopeus 80 asteessa Fe2(SO4)3:ssa | 0,1-0,3 mm/vuosi (pinnan taantuma) | 0,05-0,15 mm/vuosi | 0 |
| Grafiittihiukkasten vapautuminen | Kyllä (hartsi hajoaa) | Kyllä (alennettu hinta) | Ei mitään |
| Pinnan kunto 2 vuoden kuluttua | Huokoinen, karhennettu | Kohtalaisen karhentunut | Tasainen, muuttumaton |
| Läpäisevyys 3-5 vuoden kuluttua | Saattaa kehittyä{0}}seinävuotojen takia | Saattaa kehittyä{0}}seinävuotojen takia | Ei koskaan (nollaläpäisevyys) |
| Käyttöikä Fe₂(SO4)₃ 80 asteessa (vuosia) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
Palaute eroosiosta-komposiitin huononemisesta
Hartsin hajoaminen luo pintahuokoisuutta. Huokoinen pinta on mekaanisesti heikompi kuin alkuperäinen hartsi{1}}kyllästetty pinta. Virtaavassa rautasulfaattiliuoksessa huokoinen pinta kuluu nopeammin kuin sileä, läpäisemätön pinta. Eroosio poistaa hajonneen hartsin ja osittain irronneet grafiittihiukkaset altistaen tuoreen materiaalin kemialliselle hyökkäykselle.
Tämä takaisinkytkentäsilmukka-kemiallinen hyökkäys, joka luo huokoisuutta, huokoisuutta kiihdyttää eroosiota, eroosio paljastaa tuoreen pinnan-tarkoittaa, että läpäisemättömän grafiitin hajoamisnopeus on nopeampi kuin kemiallinen hapettumisnopeus yksinään ennustaisi. Yhdistetty kemo-mekaaninen hajoaminen määrittää todellisen käyttöiän.
PTFE:llä ei ole tällaista palautetta. Homogeeninen polymeeripinta kuluu hitaasti ja tasaisesti virtauksen aikana ilman kemiallista vaikutusta materiaalihäviöön. Eroosionopeus määräytyy yksinomaan nesteen nopeuden ja kaikkien suspendoituneiden kiinteiden aineiden hankauskyvyn perusteella,-jotka vaikuttavat molempiin materiaaleihin, mutta joita pahentaa kemiallinen hyökkäys vain grafiitissa.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet ylittävät läpäisemättömän grafiitin kuumissa rautasulfaattiliuoksissa, koska PTFE on homogeeninen materiaali, jossa ei ole hapettavaa hartsisideainetta. Läpäisemätön grafiitti perustuu fenoli- tai furaanihartsikyllästysaineeseen, jota hapettava rauta-ioni hyökkää asteittain, mikä luo pinnan huokoisuutta, joka nopeuttaa eroosiota ja johtaa lopulta seinän läpi-vuotamiseen. PTFE tarjoaa sileän, kemiallisesti inertin pinnan, joka hajoaa vain hitaan mekaanisen eroosion vaikutuksesta ja tarjoaa 15+ vuoden käyttöiän verrattuna 3–8 vuoteen läpäisemättömälle grafiitille.
Tekninen tuki PTFE-lämmönvaihtimen spesifikaatioille ferrisulfaattisovelluksissa ja muissa hapetusliuossovelluksissa on saatavilla liuoksen koostumuksen, lämpötilan, virtausnopeuden ja laitteen nykyisen käyttöiän tiedot toimittamalla.
