Materialul Tradițional
Plumbul a fost folosit în serviciul cu acid sulfuric de peste un secol. Rezistența sa la acidul sulfuric rezultă din formarea unei pelicule protectoare de sulfat de plumb care este insolubilă în acid. Tubul de cupru-acoperit cu plumb-cu o manta de plumb legata metalurgic la exterior-combină rezistența la coroziune a plumbului cu conductivitatea termică a cuprului. Timp de zeci de ani, acesta a fost materialul standard pentru schimbătorul de căldură pentru băile de decapare cu acid sulfuric.
Multe dintre aceste schimbătoare-de cupru acoperite cu plumb rămân în funcțiune astăzi. Acestea sunt înlocuite pe măsură ce eșuează, iar PTFE este din ce în ce mai mult materialul de înlocuire. Întrebarea nu este dacă cuprul acoperit cu plumb-funcționează-, pentru o perioadă. Întrebarea este cum se compară mecanismele sale de defecțiune și durata de viață cu PTFE în operațiunile moderne de decapare.
Mecanismul de eroziune-coroziune
Plumbul este moale. Duritatea sa Brinell este de aproximativ 4-5 HB, comparativ cu 35-50 HB pentru cupru și 120-180 HB pentru oțel inoxidabil. Într-o baie de decapare cu circulație a soluției, acidul care curge erodează continuu pelicula protectoare cu sulfat de plumb. Filmul se reformează, dar fiecare ciclu de eroziune-reformare consumă o cantitate mică de plumb.
În zonele cu viteză mare de curgere-în apropierea debitelor pompelor de circulație, a duzelor de eductor sau a conductelor de spargere a aerului-rata de eroziune se accelerează. Teaca de plumb se subțiază de preferință în aceste locuri. De-a lungul anilor de funcționare, mantaua se poate subția până la punctul în care cuprul subiacent este expus.
Odată ce cuprul intră în contact cu acidul sulfuric, se corodează rapid cu degajarea de hidrogen. Dizolvarea cuprului subminează învelișul de plumb adiacent. Eșecul cade în cascadă. O mică breșă de eroziune se extinde într-o scurgere majoră.
PTFE nu are peliculă de protecție pentru erodare. Materialul este omogen; suprafața sa este volumul său. Abraziunea prin curgere poate uza lent suprafața, dar viteza este cu ordine de mărime mai mică decât coroziunea prin eroziune-plumbului. Tuburile de PTFE din serviciul de decapare prezintă pierderi neglijabile de perete după un deceniu de expunere continuă la curgere.
Tabelul 1: Comparația duratei de viață în decaparea cu 15% H₂SO₄ la 70 de grade
| Parametru de performanță | Plumb-Cupru acoperit | PTFE |
|---|---|---|
| Mecanism de protecție împotriva coroziunii | Film pasiv de PbSO₄ | Stabilitatea legăturii C-F inerentă |
| Viteza de eroziune a filmului în acid circulant (μm/an) | 10-50 (dependent de viteza) | 0 (fără film) |
| Risc de expunere la metale comune | Da (la locurile de eroziune) | Niciuna (fără metal de bază) |
| Conductivitate termică (W/m·K) | ~40 (compozit) | 0.25 |
| Rezistenta la cicluri termice | Slab (degradarea-plumbului; degradarea interfeței-plumbului) | Excelent |
| Durata de viata in decapare continua | 3-7 ani | 15+ ani |
| Metoda de reparare | Nu se poate repara (doar înlocuire) | Înlocuirea dopului de câmp sau a tubului |
| Preocupări de mediu/manipulare | Plumbul este toxic; eliminarea reglementată | Inert; eliminare ne-periculoasă |
Problema oboselii ciclice termice
Băile de decapare sunt adesea operate pe un ciclu zilnic sau săptămânal: încălzite la 70 de grade în timpul producției, răcite la temperatura ambientală în timpul opririi. Fiecare ciclu impune dilatare și contracție termică schimbătorului de căldură.
Plumbul și cuprul au coeficienți de dilatare termică semnificativ diferiți: plumb la 29 × 10⁻⁶/ grad, cuprul la 17 × 10⁻⁶/ grad. În timpul încălzirii, învelișul de plumb se extinde mai mult decât miezul de cupru. În timpul răcirii, se contractă mai mult. Mișcarea diferențială creează efort de forfecare la interfața de legătură metalurgică.
Pe parcursul a sute de cicluri termice, interfața de legătură se obosește. Separări mici se dezvoltă între plumb și cupru. Separațiile reduc transferul de căldură-un gol, chiar microscopic, adaugă rezistență termică. Ele creează, de asemenea, zone ocluse în care acidul poate pătrunde și ataca direct cuprul, accelerând procesul de defecțiune.
Tuburile din PTFE sunt omogene-nu există nicio interfață de separat. Dilatarea termică este găzduită de deformarea elastică a întregului perete al tubului. Nu se dezvoltă stres diferențial. Nu există mecanism de oboseală la temperaturi normale de serviciu de decapare.
Factorul de mediu și siguranță
Plumbul este un metal toxic. Utilizarea sa în echipamentele industriale este din ce în ce mai restricționată de reglementările de mediu și de sănătate a muncii. Eliminarea schimbătoarelor de cupru acoperite cu plumb-uzate necesită manipularea, manifestarea și tratarea cu licență a deșeurilor periculoase. Costul de eliminare se adaugă la costul total al ciclului de viață.
PTFE este ne-toxic și inert din punct de vedere chimic. Eliminarea-la-la sfârșitul duratei de viață este ca deșeuri industriale ne{-periculoase. Nu este nevoie de manipulare, manifestare sau tratament special. Această distincție, deși nu este motorul tehnic principal, se aliniază cu tendința de eliminare a materialelor toxice din procesele industriale.
Rezumat
Schimbătoarele de căldură PTFE durează mai mult decât cuprul acoperit cu plumb-la decaparea cu acid sulfuric, deoarece PTFE elimină eroziunea-coroziunea peliculei protectoare cu plumb, oboseala termică a interfeței de legătură cu plumb-cupru și modurile de defecțiune progresivă inerente construcțiilor metalice acoperite. Cuprul acoperit cu plumb și-a îndeplinit scopul timp de un secol, dar durata de viață de 3-7 ani, incapacitatea de a fi reparat pe teren și cerințele de eliminare a substanțelor toxice îl fac din punct de vedere economic și ecologic inferior PTFE pentru operațiunile moderne de decapare.
Tranziția de la cupru acoperit cu plumb-la PTFE este determinată de durata de viață mai lungă, reparabilitatea pe teren și eliminarea manipulării materialelor toxice. Amprenta mai mare de PTFE necesară pentru o taxă termică echivalentă este singurul schimb-în această conversie.
Analiza de inginerie pentru modernizarea schimbătorului de căldură în baia de decapare este disponibilă la prezentarea concentrației de acid, a temperaturii de funcționare, a caracteristicilor debitului de circulație și a duratei de viață curente a schimbătorului și a istoricului de defecțiuni.
