Marinavimo linijos inžinierius susidūrė su nesudėtingu klausimu: esamas titano panardinamasis šildytuvas sugedo po keturiolikos mėnesių 10% druskos rūgšties vonioje 60 laipsnių temperatūroje, todėl sprendimas buvo pakeistas titanu arba PTFE. Titano šildytuvas pasiūlė puikų šilumos perdavimą ir mažesnę pirkimo kainą, tačiau jo eksploatavimo laikas chlorido eksploatacijoje buvo ribotas. PTFE parinktis kainavo daugiau iš anksto ir reikalavo daugiau paviršiaus, tačiau pažadėjo ilgesnį pakeitimo intervalą. Pasirinkimas priklausė nuo veiksnių, kurių paprastas medžiagų palyginimas neapėmė.
Vandenilio chlorido rūgštis yra viena iš nedaugelio įprastų pramoninių chemijų, kur titanas nėra automatinis pasirinkimas. Titanas gerai atsparus oksiduojančioms rūgštims, tačiau yra pažeidžiamas redukuojančių rūgščių, ypač esant chloridams. PTFE panardinamieji šildytuvai atsparūs druskos rūgščiai bet kokiomis koncentracijomis ir temperatūromis, tačiau dėl mažo šilumos laidumo titanas neturi projektavimo apribojimų.
Korozijos mechanizmas, kuris riboja titano kiekį HCl
Titanas remiasi pasyvia oksido plėvele, užtikrinančia atsparumą korozijai. Oksiduojančioje aplinkoje plėvelė yra stabili ir apsaugo. Redukuojant rūgštis, tokias kaip druskos rūgštis, plėvelė suyra, o apačioje esantis metalas korozuoja. Korozijos greitis priklauso nuo rūgšties koncentracijos, temperatūros ir oksiduojančių medžiagų buvimo.
Kambario temperatūroje ir mažomis koncentracijomis titanas gerai veikia HCl. Esant 60 laipsnių ir 10% koncentracijai, korozijos greitis pagreitėja. 80 laipsnių ir 15% titanas gali sugesti per kelis mėnesius. Geležies jonų ar kitų oksidatorių buvimas gali slopinti koroziją, todėl tikrose marinavimo voniose titanas kartais veikia geriau nei grynas HCl.
| HCl koncentracija | Temperatūra | Titano korozijos greitis | Numatomas tarnavimo laikas | PTFE tinkamumas |
|---|---|---|---|---|
| 5% | 25 laipsnių | <0.1 mm/year | >10 metų | Puikiai |
| 5% | 60 laipsnių | 0,3–0,8 mm/metus | 3-6 metai | Puikiai |
| 10% | 60 laipsnių | 1,0–3,0 mm/metus | 8-18 mėnesių | Puikiai |
| 10% | 80 laipsnių | 3,0–8,0 mm/metus | 3-8 mėn | Puikiai |
| 15% | 60 laipsnių | 2,0–5,0 mm/metus | 5-12 mėnesių | Puikiai |
| 20% | 80 laipsnių | >10 mm per metus | <3 months | Puikiai |
Titano korozijos greitis naudojant druskos rūgštį, palyginti su PTFE tinkamumu
Šilumos perdavimas: kur titanas turi pranašumą
Titano šilumos laidumas yra maždaug 22 W/m·K-maždaug 90 kartų didesnis nei PTFE. Tai reiškia, kad titano šildytuvas gali veikti esant daug didesniam vatų tankiui, neviršydamas saugios apvalkalo temperatūros. Titano šildytuvas, kurio galia yra 5 W/cm², gali veikti vėsiau nei PTFE šildytuvas, esant 1,0 W/cm².
Praktinė pasekmė yra dydis. 6 kW galios titano šildytuvas gali būti kompaktiškas, telpantis į mažą baką su minimaliu paviršiaus plotu. 6 kW galios PTFE šildytuvui esant 1,0 W/cm², reikia 6 000 cm² apvalkalo paviršiaus -maždaug šešis kartus didesnio už titano ekvivalento plotą. Rezervuaruose su ribota vieta titano šildytuvas gali būti vienintelis tinkamas pasirinkimas.
| Šildytuvo medžiaga | Šilumos laidumas | Saugus vatų tankis HCl | Paviršiaus plotas 6 kW | Santykinis pėdsakas |
|---|---|---|---|---|
| Titanas | 22 W/m·K | 3–5 W/cm² | 1200–2000 cm² | Kompaktiškas |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,0–1,2 W/cm² | 5000–6000 cm² | 3–5× didesnis |
| Nerūdijantis plienas 316 | 16 W/m·K | Netinka | - | Greitai korozuoja |
| Kvarcas | 1.4 W/m·K | 1,5–2,0 W/cm² | 3000–4000 cm² | Vidutinis |
Šilumos perdavimo ir dydžio palyginimas panardinamiesiems šildytuvams naudojant druskos rūgštį
Tarnavimo laikas ir visos nuosavybės išlaidos
Mažesnę titano pirkimo kainą kompensuoja trumpesnis HCl eksploatavimo laikas. Titano šildytuvas, kuris kainuoja 40 % pigiau nei PTFE, bet trunka trečdalį tiek laiko, turi didesnę metinę kainą.
Naudojant 6 kW 10 % HCl 60 laipsnių temperatūroje, titano šildytuvas gali tarnauti 12–18 mėnesių, o PTFE šildytuvas – 4–6 metus. Per dešimt-metų laikotarpį titano parinktį reikia pakeisti 6–8, o PTFE – 2. Darbo jėgos ir prastovas, tenkantis kiekvienam pakeitimui, padidina sąnaudų skirtumą.
Skaičiavimas keičiasi, jei HCl koncentracija žema arba temperatūra vidutinė. 5% ir 40 laipsnių temperatūroje titanas gali tarnauti penkerius metus ar ilgiau, todėl jis gali būti konkurencingas su PTFE. Esant 15% ir 70 laipsnių, titanas gali sugesti per kelis mėnesius, todėl PTFE yra aiškus pasirinkimas.
| Aptarnavimo būklė | Titano gyvenimas | PTFE gyvenimas | 10 metų keitimai (Ti) | 10 metų keitimai (PTFE) |
|---|---|---|---|---|
| 5% HCl, 40 laipsnių | 6-10 metų | 5-8 metai | 1–2 | 1–2 |
| 10% HCl, 60 laipsnių | 12-18 mėnesių | 4-6 metai | 6–8 | 2 |
| 15% HCl, 60 laipsnių | 8-14 mėnesių | 3-5 metai | 7–12 | 2–3 |
| 20% HCl, 70 laipsnių | 3-6 mėn | 2-4 metai | 20–40 | 3–5 |
Titano ir PTFE eksploatavimo trukmės palyginimas ir keitimo dažnis marinuojant HCl
Dizaino apribojimai, teikiantys pirmenybę vienai medžiagai, o ne kitai
Bako geometrija gali pašalinti vieną parinktį prieš įvertinant našumą. Kompaktiškas bakas su ribota šildytuvo erdve gali neatitikti paviršiaus ploto, kurio reikia PTFE mažam vatų tankiui. Didelėje talpykloje, kurioje yra daug vietos, galima sutalpinti bet kurią medžiagą.
Panardinimo gylis taip pat svarbus. Titano šildytuvai paprastai yra mažesni ir gali tilpti į seklesnes talpyklas. PTFE šildytuvams reikia didesnio gylio, kad tilptų didesnis paviršiaus plotas, ir jie yra jautresni daliniam panardinimui.
Taip pat svarbi chemija už HCl ribų. Jei vonioje yra oksiduojančių junginių-geležies jonų, azoto rūgšties arba peroksidų-, titanas gali veikti geriau, nes jo pasyvioji plėvelė yra stabilizuota. Jei vonia yra grynai redukcinė, PTFE yra saugesnis pasirinkimas.
Kai abi medžiagos turi apribojimų
Kai kurios druskos rūgšties marinavimo vonios patenka į diapazoną, kuriame nei titanas, nei PTFE nėra idealūs. Titanas per greitai korozuoja esant aukštai koncentracijai ir aukštai temperatūrai. PTFE reikia didesnio paviršiaus ploto, nei talpina bakas esant reikiamam vatų tankiui.
Tokiais atvejais gali būti tinkamas hibridinis metodas. PTFE panardinamasis šildytuvas su vidiniu titano elementu sujungia išorinio polimero cheminį atsparumą ir metalinės šerdies šilumos perdavimo efektyvumą. PTFE apvalkalas apsaugo titaną nuo tiesioginio kontakto su HCl, o titano elementas užtikrina geresnį šilumos perdavimą nei standartinis metalinis elementas.
Kai standartiniai šildytuvai negali atitikti aptarnavimo sąlygų
Marinavimo rezervuarams, kuriuose yra didelė HCl koncentracija, aukštesnė temperatūra ir ribota periferinė erdvė, dažnai reikia pasirinktinių PTFE panardinamojo šildytuvo konfigūracijų, kurių standartiniai produktai negali pateikti. 6 kW našumui esant 1,0 W/cm² reikia 6 000 cm² apvalkalo paviršiaus -daugiau nei vienas tiesus arba L- formos įrenginys atitinka tipinius bako matmenis. Šios tinkintos kelių{8}}praėjimo ir perimetro-konfigūracijos paskirsto kaitinamąjį paviršių išlaikant mažą vatų tankį. Specifikacijos procesas reikalauja HCl koncentracijos, darbinės temperatūros, bako matmenų ir reikalingos galios.
