Ferlisstraumur er viðbjóðsleg blanda af brennisteini, fosfór og snefil af saltpéturssýru, sem keyrir við 130 gráður. PTFE ræður ekki við það hitastig og flestir málmar myndu leysast upp. Valið þrengir að tveimur ó-meisturum úr málmi: ógegndræpi grafítblokkaskipti eða skel-og-rör PTFE eining, en hver færir mismunandi styrkleika og veikleika inn á völlinn. Að skiljablokk grafít vs PTFE skel og rör blönduð sýraviðskipti- krefjast skýrs mats á hitamörkum, efnasamhæfi, vélrænni styrkleika og kostnaði.
Keppendurnir tveir: Mismunandi heimspeki
A blokk grafít skiptier einhæfur, solid blokk af ógegndræpi grafíti (resín-gegndreypt kolefni) með nákvæmni-boruðum göngum fyrir bæði ætandi vinnsluvökvann og þjónustuvökvann (kælivatn eða hitunarmiðill). Það er ótrúlega þétt, hefur mjög mikla hitaleiðni (u.þ.b. 80–120 W/m·K) og getur starfað við allt að 200 gráðu hita með viðeigandi plastefniskerfi. Uppbyggingin er stíf og brothætt og efnið þolir flestar blönduð steinefnasýrur fallega.
A skel-og-rör PTFE skiptisamanstendur af mörgum litlum PTFE rörum í -þvermáli sem komið er fyrir innan í málm- eða flúorfjölliðaskel. Vinnsluvökvinn rennur venjulega í gegnum rörin (eða stundum skelina), en þjónustuvökvinn flæðir á gagnstæða hlið. PTFE er efnafræðilega óvirkt fyrir nánast allar steinefnasýrur, en hitaleiðni þess er mjög lág (u.þ.b. 0,25 W/m·K). Skiptinn er sveigjanlegur, þolir titring og hitauppstreymi, en takmarkaður við hámarks stöðugt rekstrarhitastig sem er um það bil 110 gráður fyrir PTFE (130 gráður fyrir PFA).
Hitastig: Fyrsti afgerandi þátturinn
Rekstrarhitastigið er nærtækasti aðgreiningarþátturinn. Fyrir blönduð sýrustraum sem keyrir við 130 gráður er PTFE ekki raunhæfur valkostur. Við viðvarandi hitastig yfir 110 gráður byrjar PTFE að mýkjast, skríða undir þrýstingi og missa vélrænan styrk. Þó að skammtímaleiðir í 120–125 gráður megi þola, mun samfelld notkun við 130 gráður valda því að PTFE slöngurnar afmyndast, sem getur hugsanlega leitt til þess að slöngurnar falli saman, leka við slönguna eða algjörlega bilun.
Grafít þrífst aftur á móti við 130 gráður. Ógegndræpi grafítvarmaskiptar eru venjulega tilgreindir fyrir þjónustu allt að 170–200 gráður, að því tilskildu að efnaumhverfið sé samhæft við plastefni gegndreypingar (venjulega fenól- eða fúran plastefni fyrir sýruþjónustu). Fyrir blandaðar sýrur sem innihalda brennisteins- og fosfórsýru er grafít frábært val.
Ákvörðunarregla:Ef vinnuhitastigið er stöðugt yfir 110 gráður er grafít eini valkosturinn sem ekki er-málmi. PTFE er útrýmt með hitastigi eingöngu.
Oxandi sýrur: Banvæn galli grafíts
Grafít er form kolefnis. Í nærveru sterkra oxunarefna-eins og saltpéturssýru, krómsýru, klórata eða óblandaðri heitri brennisteinssýru yfir ákveðnum skilyrðum er hægt að oxa grafít í koltvísýringsgas. Þetta er banvæn, óafturkræf efnaárás. Oxunarmörkin eru hörð efnamörk: kolefnisbyggingin breytist einfaldlega í gas, skilur eftir tómarúm og eyðileggur að lokum skiptiblokkinn.
Í dæminu um blandaða sýrustraum sem inniheldur snefil af saltpéturssýru er grafít í hættu. Jafnvel lítill styrkur (td 1–5% saltpéturssýra) við hækkað hitastig (yfir 80 gráður) getur hægt og rólega oxað grafítið. Hraðinn fer eftir styrk og hitastigi, en tjónið er uppsafnað og leiðir að lokum til bilunar.
PTFE er hins vegar algjörlega ónæmur fyrir öllum steinefnasýrum, þar á meðal sterkustu oxunarefnum. Saltpéturssýra, jafnvel þétt og heit, ræðst ekki á PTFE. Kolefnis-flúortengi fjölliðunnar eru nú þegar í fullkomlega oxuðu ástandi. Fyrir blandaða sýru sem inniheldur saltpétur, króm eða önnur oxunarefni er PTFE efnafræðilega öruggur kosturinn-að því tilskildu að hitastigið sé innan marka þess.
Ákvörðunarregla:Ef blandaða sýran inniheldur einhverja oxandi efnisþátt (köfnunarefni, króm, perklór, osfrv.) og hitastigið er minna en eða jafnt og 110 gráður, er PTFE betri og oft eini öruggi kosturinn. Forðast skal grafít.
Vélrænir eiginleikar: Brothætt vs. sveigjanlegt
Grafít er stíft og brothætt. Blokkgrafítskiptar getur sprungið við hitalost, vélrænan titring eða skyndilegar þrýstingsupphlaup. Það krefst vandlegrar uppsetningar með álags-lausum pípum, hægfara upphitunar- og kælingarrampum (td 10–15 gráður á mínútu) og vörn gegn vatnshamri. Þegar grafítblokk er sprungin er venjulega óbætanlegur og verður að skipta út.
PTFE er sveigjanlegt og seigur. Skel-og-rör PTFE skipti þolir hitauppstreymi, titring og minniháttar misstillingu. Rörin geta beygst og hreyfst og tekið upp mismunadrif án skemmda. Fyrir lotuferli eða verksmiðjur með tíðar ræsingar-og stöðvun, býður PTFE yfirburða vélrænan áreiðanleika.
Ákvörðunarregla:Fyrir forrit með tíðar hitauppstreymi, titring eða hættu á vélrænu höggi, er PTFE öflugri kosturinn-aftur, að því tilskildu að hitamörkin séu virt.
Hitaárangur og þéttleiki
Grafít hefur einstaka hitaleiðni (80–120 W/m·K). Blokkgrafítskipti getur verið mjög samningur og náð háum hitaflutningshraða í litlu fótspori. Boruðu göngin gera ráð fyrir mörgum umferðum og háum þrýstingi (allt að 10 bör eða meira, allt eftir hönnun).
PTFE hefur mjög lága hitaleiðni (u.þ.b. 0,25 W/m·K). Til að ná sömu hitaskyldu þarf PTFE skel-og-röraskipti mun stærra hitaflutningssvæði-venjulega 5 til 10 sinnum meira yfirborð en grafíteining. Þetta leiðir til stærri, þyngri skipti. Hins vegar vega lágur kostnaður við PTFE slöngur og einfaldleiki skelhönnunarinnar oft upp á móti stærðarsekt.
Ákvörðunarregla:Ef plássið er takmarkað (td endurbygging inn í núverandi verksmiðjuskipulag), getur grafít verið eini hagnýti kosturinn. Ef fótspor er ekki takmarkað gæti stærri PTFE skiptarinn verið viðunandi.
Kostnaðarsamanburður
Fyrir tiltekið hitagjald er stofnkostnaður blokk grafítskipta oft hærri en PTFE skel-og-röreining, sérstaklega fyrir smærri gjöld. Grafít krefst nákvæmni vinnslu á solid blokk, sem er dýrt. PTFE slöngur eru tiltölulega lítill-kostnaður og skelin getur verið úr kolefnisstáli (ef þjónustuvökvinn er ekki-ætandi) eða fóðraður með flúorfjölliðu.
Hins vegar þýðir hærri hitaleiðni grafíts að minni eining gæti dugað, sem gæti hugsanlega dregið úr uppsetningarkostnaði (pípur, stoðir, einangrun). Lífsferilskostnaður er einnig mismunandi: grafítskipti sem bilar vegna oxunarárásar krefst algjörrar endurnýjunar; PTFE skipti sem starfar innan hitamarka sinna getur varað í 15–20 ár með lágmarks viðhaldi.
Ákvörðunarregla: For mixed acid service without oxidizers and with temperatures >110 gráður, grafít er eini kosturinn þrátt fyrir hærri kostnað. Fyrir blandaðar sýrur með oxandi efni við minna en eða jafnt og 110 gráður er PTFE bæði ódýrara og öruggara.
Ákvörðunartré fyrir blandaða sýruþjónustu
Einfalt ákvarðanatré getur stýrt valinu:
Is the operating temperature >110 gráður?
Yes → Graphite (or PFA if temperature is 110–130°C? but PFA is still limited to ~130°C continuous; for true >110°C with oxidizers, no fluoropolymer works. Actually PFA can go to 130°C, but for mixed acid at 130°C, PFA may be marginal. Typically, for >110°C, graphite is chosen if no oxidizers. If oxidizers present at >110 gráður, hvorugt efni virkar; íhugaðu kísilkarbíð eða gler.)
Nei → Halda áfram að næstu spurningu.
Inniheldur blandaða sýran sterk oxunarefni (td saltpéturs-, króm-, perklórsýrur)?
Já → PTFE (eða PFA) er eini öruggi ó-málmvalkosturinn. Grafít mun oxast.
Nei → Bæði efnin eru efnafræðilega samhæfð. Íhugaðu síðan:
Vélrænt álag / hitauppstreymi hjólreiðar?PTFE er öflugra.
Plássþröng?Grafít er þéttara.
Kostnaður?PTFE er venjulega lægra.
Fyrir tiltekið tilvik sem nefnt er (brennisteinssýra + fosfór + snefil nitur við 130 gráður): Hitastigið (130 gráður) fer yfir PTFE mörk, en tilvist saltpéturssýru þýðir að grafít verður fyrir árás. Þetta er erfitt mál. Lausnir gætu falið í sér kísilkarbíðskipti, glerskipti eða að lækka hitastigið fyrir kælingu. En innan þessara tveggja valkosta er hvorugur fullkominn. Greinin ætti að taka eftir þessu mörkaskilyrði.
Að taka á landamæramálinu
Þegar bæði hitastig og oxunarefni eru til staðar, hentar hvorki venjulegt grafít né PTFE skipti að fullu. Grafít myndi þjást af oxun; PTFE myndi þjást af-hitastigi. Valkostir í slíkri öfgaþjónustu eru:
Kísilkarbíð (SiC) plötu- eða blokkaskiptarar:Efnafræðilega ónæmur fyrir næstum öllum sýrum, þar með talið oxunarefnum, og getur starfað allt að 200–300 gráður. Hins vegar eru þeir dýrir.
Glerskeljar-og-röraskiptarar:Þolir flestar sýrur nema HF, en brothætt og viðkvæmt fyrir hitaáfalli.
PFA (perflúoralkoxý) skipti:PFA hefur hærra stöðugt þjónustuhitastig (allt að 130 gráður) en PTFE. Fyrir 130 gráðu blandaða sýru með oxunarefnum gæti PFA skiptar lifað af, en jaðar eru þunnar. Hönnunin myndi krefjast mjög lágs wattaþéttleika og nákvæmrar hitastýringar.
Í þessum samanburði (blokk grafít vs. PTFE skel-og-rör) er gert ráð fyrir að hitastig og efnafræði falli innan rekstrarsviðs að minnsta kosti eins efnis. Ákvörðunartréð hér að ofan á við þegar aðstæður eru hagstæðar.
Samantekt um styrkleika og veikleika
| Eiginleiki | Block grafít | Skel-og-Tube PTFE |
|---|---|---|
| Hámarks stöðugt hitastig | 170–200 gráður (fer eftir plastefni) | 110 gráður (PTFE), 130 gráður (PFA) |
| Viðnám gegn oxandi sýrum | Lélegt (oxast í CO₂) | Frábært (ónæmi) |
| Viðnám gegn ó-oxandi steinefnasýrum (H₂SO4, H₃PO₄, HCl) | Frábært | Frábært |
| Varmaleiðni | Mjög hátt (80–120 W/m·K) | Mjög lágt (0,25 W/m·K) |
| Vélrænn styrkleiki | Brothætt, viðkvæmt fyrir hitaáfalli og titringi | Sveigjanlegur, þolir hjólreiðar og lost |
| Þéttleiki | Mjög samningur | Stórt fótspor krafist |
| Hlutfallslegur kostnaður (upphafskostnaður) | Miðlungs til hátt | Lágt til miðlungs |
| Næmi fyrir gróðursetningu | Lágt til miðlungs (slétt grafít) | Mjög lágt (non-PTFE) |
Niðurstaða: Klassísk verkfræðiákvörðun
Valið á milli blokkgrafíts og skeljar-og- PTFE skiptis fyrir blandaða sýruþjónustu er klassísk verkfræðileg ákvörðun, þar sem hitastig og nærvera oxunarefna eru tveir afgerandi þættir. Grafít er meistarinn í háum-hita sem ekki-oxar; PTFE er alhliða, lág-hitaþolinn. Ef ferlið fer yfir 110 gráður og inniheldur engin oxunarefni, er grafít klár sigurvegari. Ef ferlið er undir 110 gráðum og inniheldur einhverjar oxandi sýrur, er PTFE öruggari, öflugri og venjulega hagkvæmari kosturinn. Val á byggingarefni er oft ferli til að útrýma þeim sem munu deyja fyrst-og í blönduðum sýruþjónustu hefst sú brotthvarf með hitastigi og efnafræði.
